Hoy me dio por ser honesto…


Muchas veces podemos tener la sensación de que la ciencia es un bloque sólido. En realidad es un bloque sólido de blandiblup.

En general el avance en un campo provoca más preguntas que respuestas. Y eso es algo que no deja de sorprender. Da la sensación de que siempre vamos varios pasos por detrás de la naturaleza (que es lógico ahora que lo pienso).

En esta entrada vamos a ver una cadena de preguntas cuyas respuestas nos han llevado a más preguntas que al ser respondidas cada vez resultan más difíciles de contrastar experimentalmente, que es de lo que se trata al fin y al cabo.

Tengamos en cuenta que en estas respuestas y estas ramificaciones no son lineales sino que a una misma pregunta generalmente se pueden dar varias respuestas.  La única forma de quedarnos con la rama correcta es: EL EXPERIMENTO.

Cuántica y Relatividad

A principios del siglo XX teníamos dos teorías muy bien definidas (sin ausencia de problemas que no consideraremos aquí):

1.-  La mecánica cuántica.  Que nos obligó a dejar de pensar en partículas siguiendo trayectorias definidas. Que nos enseñó que un sistema puede estar aquí y allí con cierta probabilidad. Y que supuso la revolución conceptual más importante de la historia de la humanidad (esto es una apreciación personal).

2.-  La relatividad especial. En esta teoría aprendimos que la velocidad de la luz en el vacío es constante para los observadores inerciales.  Que el espacio y el tiempo no eran entidades absolutas y que la energía y la masa estaban íntimamente ligadas.

Pues bien, la mecánica cuántica usual sigue las ideas Newtonianas. Con esto me refiero a que trata al espacio y el tiempo como entidades absolutas y permite cualquier velocidad superior o no a la de la luz en el vacío.  Así que la tarea era:

¿Cómo es la mecánica cuántica para partículas que se mueven a velocidades cercanas a la de la luz?

Con sorpresa se vio que no era posible describir una partícula cuántica con velocidades relativistas. De hecho, lo que pasa es que si uno intenta hacer eso se da cuenta de que hay que describir una infinidad de partículas para que la teoría tenga sentido. Es decir, que si unimos las enseñanzas cuánticas y las relativistas no podemos hablar de una única partícula sino de algo conocido como un campo.  (Un campo está definido en todo el espaciotiempo y cuánticamente tiene excitaciones que se comportan como partículas, es decir, tienen una masa, un espín y una carga definidas).

Además, gracias a Dirac, vimos como el contenido de materia en una teoría cuántico relativista se duplicaba y aparecía el concepto de antimateria.

Por lo tanto, unir dos teorías que funcionan bien nos lleva a la pregunta de cómo tratar los campos cuánticamente.

Teoría Cuántica de Campos

La teoría cuántica de campos es la rama de la física que trata con sistemas que satisfacen los principios de la mecánica cuántica y de la relatividad especial. Y, como hemos dicho, ya no se puede hablar de partículas individuales en este contexto sino de campos cuánticos.

El problema vino al darse cuenta de que había cálculos de procesos físicos en teoría cuántica de campos que daban resultados infinitos. Esto es una clara indicación de que la teoría no puede predecir nada más que sin sentidos.

Y aquí surge un problema gordo, uno confía en los principios relativistas y cuánticos, y sin embargo su unión produce teorías que te dan resultados infinitos y por tanto inútiles. Así que los físicos forzaron la máquina hasta dar con algo que eliminaba los infinitos: LA RENORMALIZACIÓN.

Interacciones

Una vez que tenemos la teoría cuántica de campos y sabemos como obtener resultados finitos (aunque la formalidad matemática del procedimiento de renormalización aún no está bien establecida… pero funciona) el siguiente paso es:

¿Podemos tener teorías cuánticas de campos que nos expliquen las interacciones entre partículas elementales y que sean renormalizables?

Y aquí Veltman y t’Hooft demostraron que hay una clase de teorías que son siempre renormalizables y por tanto dan resultados finitos a las magnitudes físicas. Estas son las teorías gauge.

Una teoría gauge es algo muy interesante porque se basan en que hay que respetar una regla a la hora de construir las fórmulas, lo que se llama simetría gauge, y entonces la teoría te regala instantáneamente las cargas conservadas en la teoría y las interacciones (aquí no estoy siendo formal ni riguroso, basta con quedarse con esta idea: Teoría Gauge: Cargas+Interacción entre ellas).

Pero aquí llega el tío Paco con las rebajas.

Resulta que si uno se decide a usar las teorías gauge para que esto sea consistente tiene que aceptar que:

Todas las partículas que nos rodean son partículas sin masa.

Esto evidentemente va en contra de toda la experiencia acumulada. Hay partículas sin masa como el fotón, pero la mayoría tienen su masa.

¿Nos dejamos las teorías gauge por predecir algo sin sentido?  La respuesta es no.  Y es no porque las teorías gauge son elegantes, son bellas y dan lugar a cargas e interacciones, que no es poco. Además son renormalizables y dan resultados finitos.  Así que la opción b es meter algo que sea consistente con la teoría gauge pero que de masa a algunas partículas: EL MECANISMO HIGGS.

El Higgs

Entonces uno tiene que ponerse manos a la obra y empezar a buscar un mecanismo por el cual algunas partículas adquieren masa y otras no.  Y se encontró, (entre otros muchos, este es simplemente el más fácil), el mecanismo de Higgs.

Sin entrar en detalles digamos que todas las partículas están buceando en un campo de Higgs que está por todos sitios. Hay partículas que tienen mayor afinidad por el Higgs y por tanto se le apelotonan partículas de Higgs haciendo que sea una partícula “gorda” con masa y hay otras que ignoran al Higgs y se mueven por el libremente, sin masa.

Pues ya está, ya lo tenemos todo resuelto. Casi… surge un problema con esto. Cuando uno se pone a estudiar qué masa tendría que tener el Higgs y por tanto las partículas que interaccionan con él para adquirir su propia masa nos llevamos una sorpresa. La masa del Higgs es del orden de la masa de Planck, que no importa lo que valga ahora pero que es una barbaridad para una partícula. Nuestras máquinas no llegan a producir esa energía concentrada en una partícula, estamos varios (muchos) ceros por debajo de alcanzar eso.

Entonces surge la pregunta:

¿Por qué la teoría nos dice que el Higgs tiene que ser muy muy gordo y nuestras partículas son muy muy ligeras comparadas con la masa de Planck?

La tentación es deshacerse del Higgs y buscar otra cosa. Pues no… no es tan fácil encontrar un mecanismo de generación de masa que sea compatible con las teorías gauges. Así que hemos de encontrar otro mecanismo que baje la masa del Higgs desde la masa de Planck (una barbaridad de grande) hasta las masas que vemos a nuestro alrededor, y una de las posibilidades es: LA SUPERSIMETRÍA.

Supersimetría

La supersimetría se basa en el hecho de que es posible encontrar un mecanismo que por cada partícula bosónica (esos bichos con espín entero) hay un fermión asocidado (espín semientero) y viceversa.

Si uno introduce un fermión por cada bosón conocido y un bosón por cada fermión conocido entonces el Higgs adquiere una masa bajita, de la que vemos a nuestro alrededor en las partículas.

El problema es que no tenemos constancia de la existencia de estas partículas supersimétricas aún. Pero seguramente será un problema técnico de que aún no hemos llegado a la energía necesaria para producirlas. (Esto supone otro problema que no vamos a explicar aquí, la supersimetría tiene que estar rota dicen por ahí).

Un problema más grave es que al introducir supersimetría la teoría es consistente con el mecanismo Higgs y la masa del mismo es bajita pero pasa que nos dice que el protón se tiene que desintegrar (en un tiempo corto comparado con la vida del universo). Desgraciadamente (esto es irónico porque mal nos iría de otra forma) el protón, experimentalmente, tiene una vida comparable a la edad del universo (así la materia es estable).

¿Solución? Claro, se mete una simetría nueva: Simetría R.

Simetría R

Para que la supersimetría no destroce nuestra materia hay que meter en nuestras teorías una relación entre las cosas supersimétricas. A eso lo han llamado simetría R.  El problema es que si existe eso entonces aparte del electromagnetismo, la interacción débil, la interacción fuerte y la gravitatoria deberíamos de ver otras interacciones que ciertamente no vemos…

Así que habrá que esperar a que de una vez el experimento ponga las cosas en su sitio. Sin lugar a dudas la ciencia no es algo que se construya linealmente y cada respuesta viene con más preguntas. Así que no respondas si no quieres que te pregunten.

Nos seguimos leyendo…

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26 Respuestas a “Hoy me dio por ser honesto…

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  4. Lo que pasa es que de manera puntual cuando se tiene la visión del Campo de Gauge sin masa se da por entendido la característica de ese tipo de campo (siendo todo simétrico) y que este, a su vez, puede ser modificado porque algún ingrediente rompe expontaneamente la simetría electrodebil, pero para que esto se de, según tengo entendido, tiene que suceder las excitaciones de Goldstone en el campo sin masa. Entiendo, como lo explica en este artículo que en el campo de Higgs la masa no necesariamente tiene que ser homogenea (de un mismo tamaño), pero lo que no entiendo es como adquiere la masa.

  5. Pingback: Del efecto Doppler a los cuantos de Planck | Cuentos Cuánticos

  6. No se, como que no entiendo mucho la explicaciòn del Mecanismo de Higgs

  7. umar_gan@hotmail.com

    Genial ramm y lo digo sin demerito de todos los participantes a quienes leo y despiertan toda mi admiración. Así es, en el empeño de estudiar el error a veces se han obtenido conocimientos anexos revolucionarios. El niño no sabe, no conoce, en efecto, pero parte en su juego de algo fundamental que es estar abierto a todas las posibilidades, ninguna creencia ni concepción previa y aceptar cualquiera de las resultantes. Entonces el adulto interpreta la coherencia y viabilidad, darle un sentido y su utilidad en la práctica. Todo hombre puede si quiere ejercer sus capacidad de pensar sobre ciencia y exponerla, al desconocer cuestiones básicas se ve libre de limitaciones y es más audaz en sus conjeturas, pero gracias al científico, gracias a la labor de ustedes es por lo que se produce el avance del que se beneficia nuestra civilización. Es positivo que la gente se interese y se involucre, nos muestre sus planteamientos, dudas, preguntas, enriquece al investigador. El maestro aprende al resolver las dudas de sus alumnos. Gracias por tenernos en cuenta.

  8. dale un des armador a un niño y un aparato complicado y te separa todas las partes por pequeñas que estas sean. esto no quiere decir que pueda comprender la procedencia y manufactura de cada una de ellas y menos aun su funcionamiento. tenemos las herramientas pero son las adecuadas? solo si seguimos la rama asta el final podemos darnos cuenta de que estamos en un error y por ende en buen camino

  9. umar_gan@hotmail.com

    Pienso que el modelo espacio tiempo tiene que convivir perfectamente con el modelo del punto cero o del no espacio y no tiempo y estás partículas cuánticas coexisten en ambos tejen su estructura por lo que es lógico que la ecuación o teoría de gauge que señala al predecir que todas las partículas que nos rodean son partículas sin masa, esta en lo correcto y explicando la realidad de estas partículas en el punto cero, comportamiento dual perfectamente compatible con la pretendida masa Higgs u otra en el momento que se desplazan por el espacio tiempo.

  10. Gracias por la entrada, visto asi parece una muy endeble torre de teorias que en puede caerse con facilidad

    • En realidad lo “endeble” es lo que está por construir. Una vez que el experimento confirma una teoría deja de ser endeble para ser muy sólida. Hoy día hay dudas a partir del Higgs, lo anterior es tan sólido que nos da predicciones de 20 cifras decimales que son refrendadas por el experimento. Esa es, a mi juicio, la magia de todo este cuento.

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  13. oscarrobertoernst

    Es evidente que el planteo inicial, de congeniar la mecánica cuántica y la relatividad, es como mezclar agua y aceite, sólo se puede con un emulsionante, que finalmente el agua no es agua, ni el aceite es aceite.

    La mecánica cuántica interpreta la probabilidad como una situación de doble posibilidad intrínseca (donde la partícula elige, o está en ambos estados), el determinismo interpreta, que se trata de la ignorancia de las variables.

    Aunque el cálculo probabilista es el mismo, no tienen nada que ver un principio con el otro, sino para aquel, que quiera imponer una física mágica y mística.

    • La mecánica cuántica se mezcla con la relatividad sin problema y predice cosas como la antimateria que después vamos y la medimos en los laboratorios, la creamos, la usamos en los hospitales para diagnósticos etc.

      Negar eso es un tanto irracional.

  14. Cuentos cuánticos, creo que te equivocas al afirmar que “la masa del Higgs es del orden de la masa de Planck”.
    Según la wiki: “el valor de λ-lambda (del valor de la escala de ruptura de simetría) es desconocido y por tanto la masa del bosón de Higgs en el SM es un parámetro libre de la teoría”. Por lo que “si la masa de este bosón está entre 115 y 180 GeV, entonces el modelo estándar puede ser válido a todas las escalas energéticas hasta la escala de Planck (1016 TeV)”.
    Cuentos cuánticos, creo has malinterpretado el anterior parráfo y que te has montado un delirio acientífico con todo eso de las simetrías para justificar tu error interpretativo.
    Saludos,
    Antonio.

  15. “Resulta que si uno se decide a usar las teorías gauge para que esto sea consistente tiene que aceptar que: Todas las partículas que nos rodean son partículas sin masa.”
    Antes de exponer mi idea, una necesaria aclaración: Les voy a pedir, que sobre lo que les voy a decir, piensen en la idea y no en la jerga “científica” que usare. Además, lo que expongo, es para que mediten y no para que se forme un debate y miles de pregunta. Aunque estoy mas avanzado en esto, que lo que les explico, realmente estoy en una fase bien clásica, bien primitiva y lejos de la realidad a la que creo que mis ideas podrían conducirnos. Algo así como lo que represento el modelo planetario de Bohr para el átomo del hidrogeno,… Además, hay complejas ideas teórica, bien establecidas, que se están sometiendo a experimentación en la actualidad, eso hay que respetarlo. Así que el tiempo y la paciencia es ahora nuestra mejor decisión. Problemas bien serios para las físicas: ¡de que los hay, los hay! Solo basta que miremos la amplia numerología del SM y la poca conexión que le encontramos. O las curvas experimentales extraídas de las rotaciones de las galaxias y su poca conexión con las teorías gravitatorias más exitosas.
    Mi idea es que lo que la teoría nos esta diciendo es bastante correcto; pero que al partir, o mirar con ella la 6ta física, con ella, desde abajo, ella no nos puede dar mas información. Es mas, es tan buena esa teoría, que es capas de dejarnos ver el contorno de esa 6ta física que irremediablemente tiene que crearse. Más, no creo que se le pueda pedir; así que agradecidos. Finalmente, nuestras viejas ideas sobre las partículas, nos conducen a una mala interpretación de la realidad natural que nos revela la teoría quántica de los campos. Lo que ella revela es lo correcto.
    NINGUNA PATICULA TIENE MASA.
    Mi idea es que lo que llamamos partículas con masa (para mi energíasmasas), son energíascampos confinadas (piensen ustedes en luz, electromagnético o fotones; algo distante de la realidad, tosco, pero al igual que a mi al principio, les ayudara a entender las ideas que elaboro). Esos fotones electromagnéticos (para mi modelo energíascampos), bajo determinadas circunstancias naturales bien conocidas experimentalmente, cambian su topología y se confinan.
    http://conexioncausal.wordpress.com/2011/12/13/el-boson-de-higgs/#comment-1061
    Piensen en que siguen siendo como fotones electromagnéticos, pero que ahora están obligados, confinados a moverse dentro de otro espacio geométrico, de una muy alta y definida geometría; que en realidad es a lo que llamamos partícula (energíamasa). Ahora, esos fotones electromagnéticos confinados en esa nueva topología, conservan de cierta forma modifica las propiedades que tenían, por lo que podemos seguir hablando, aunque con otro “tono” experimental de lo que normalmente medimos como de: masa, carga, de campo eléctrico, campo magnético, spin (hay movimiento en esa topología que tengo ya casi bien definida). Más aun, esa estabilidad geométrica, de los fotones electromagnéticos confinados, nos explica muy bien, porque las energíasmasas (partículas) tienen esos tiempos de vida y no otros. Así como, que es en realidad la desintegración. También de esa topología, con simples consideraciones geométricas salen las partículas y las antipartículas, su aniquilacion. Y otras muchas respuestas, a preguntas que muchos consideran ilegales. Otra de sus ventajas, es que permite enriquecer las interpretaciones de antiguos experimentos, crea múltiples experimento nuevos, todo lo que define puede ser medido experimentalmente, no mutila ninguna de las cinco físicas anteriores, he incorpora de forma natural, muchas ideas de la teorías súperabstractas; como podrían ser las cuerdas. Incluso, algo que nunca me gusto, es que al final la geometría, diera tanta física, sea la causa de propiedades física y eso hizo que me atrasara bastante buscado otros mecanismos; pero si es así, así será. Ya Einstein, había pasado por esa paradoja, o ironía de lo natural. El lo esquematizaba, diciendo que una parte de su ecuación era el perdurable mármol (parte más clara, la geométrica) y la otra parte la tosca madera (la oscuridad, la falta de información que muestra en su teoría, la energía y la masa). Pues yo creo que tal vez mi enfoque sirva para lograr su sueno; de que la madera se convierta también en mármol. ¡Pedir mas, seria egoísta!
    http://books.google.com/books?id=HEByIGk9UmwC&printsec=frontcover&hl=es#v=onepage&q&f=false
    Ahora, esas energíascampos confinadas, como es lógico, se pueden mover como un ente, como un todo. Es decir, al nivel de sus manifestaciones externas, de sus interacciones, son un todo; una partícula tal y como la conocemos. Pero desde el punto de vista de una 6ta física, (lo que vagamente nos revela la teoría quántica del campo), según la idea o el modelo ellas realmente no tienen masa.
    No se si logran ver que al ser las energíasmasas, energíascampos confinadas, en su esencia, en sus entrañas, ellas no tienen masa. Pero como un todo, en sus interacciones con el exterior, lo que se aprecia es lo que todos conocemos y medimos en los laboratorios. De ahí la lógica confusión interpretativa que todos los físico están haciendo de este resultado teórico. Que de paso, nos esta costando miles de millones; ya veremos.
    Así surgen miles de revelaciones sorprendentes cada vez que tiras el modelo contra las explicaciones de los fenómenos ya explicados. Incluso, al parecer, hay dos rupturas de simetrías estilo Higgs y no una. Así, que en principio el mecanismo de cierta forma se salva; pero sin campo, ni Higgs. Incluso la idea de entes o campo omnipresente como un Dios, existe en la física en muchas versiones desde mucho antes que el omnipresente y fantasmagórico campo de Higgs. Y seguirá existiendo,
    http://www.tendencias21.net/La-materia-es-en-realidad-energia-oscura_a5097.html
    por lógica y tentadora confusión, al desconocer que hay en el interior de lo que llamamos una partícula elemental y que para modelarla hay que meterle todo lo que le mete la naturaleza adentro, sino, no la tienes; así de fácil. Así no funciona la naturaleza; masa (Higgs), spin (LQG);… la física primero que todo es una ciencia natural que modela cosas naturales. Ya he explicado como y donde se confundió lo lógico/didáctico, con lo natural y físico.
    Así que desde ese punto de vista, la idea tampoco es muy original. Solo que ahora han encontrado una lógica un poco más formal para creérselo. Algo tampoco original, algo que no siempre ha sido afortunado; a pesar de que se dice y se repite hasta el cansancio; que las consistencias teóricas y las altas simetrías,… la belleza nunca engaña. http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/11/htm/sec_29.html
    Sigo desconfiando por causas naturales; algo así como que, el SIDA no tiene cara.
    De paso, el modelo tambien acaba por un tiempo humanamente bastante grande, con la logica pregunta, que hay dentro de esa otra particula, que ahora forma la que antes se creia elemetal. Con la infinita materia, dentro de materia.
    Bueno, de esta forma nos quitamos con lógica tantas cosas que suenan superfluas para la naturaleza y los experimentos. Ya se que van a decir que por que no publico, que los experimentos, que la física-matemática…; solo que razones bien justificadas, hay para no hacerlo todavía.
    Excelente entrada, A PRUEBA DE BOBO, disculpa, pero la culpa es toda de ustede por la inspiración que provocan.

  16. En plan: A las energías a las que trabajo la gravedad no pinta nada a priori.

  17. Bueno, en principio ambas masas deben de ser “la misma”. Lo que pasa es que en el modelo estándar no hay gravedad así que nos basta con la inercial. Si algún día resuelves el dilema (gravedad cuántica) cuentamelo 😉

    • ¿Pero no hay gravedad en plan “funciono bien sin gravedad”, o en plan “no sé explicar la gravedad, tengo un problema”?
      En cualquier caso, las dos respuestas me dejan con el culo torcío.

  18. Con el mecanismo de Higgs y el modelo estándar me viene una duda de principiante:
    El Higgs se introduce para explicar la que sería la masa inercial, pero aparentemente no se relaciona con la masa gravitatoria. Básicamente, esto me parece extraño, porque parece que no concuerda con el principio de equivalencia. Si no estoy diciendo ninguna locura, ¿hay alguna explicación para esto?

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