sábado, 17 de marzo de 2018

Mensajes amables de fin de semana: el vacío está lleno, ....mi humilde homenaje a Stephen Hawking



Estimad@s amantes del LEAN:

Esta semana hemos visto desaparecer uno de los grandes iconos de nuestra época, Stephen Hawking
Lo primero que tengo que decir es que, aparte de su contribución a la ciencia, hay que admirarle como persona humana
 Desde que tenía veinte años, Hawking había vivido con esclerosis lateral amiotrófica (ELA), una enfermedad que provoca la muerte de las neuronas motoras y hace que el cerebro sea incapaz de controlar los músculos.
A Stephen le dieron pocos meses de vida. Cuando se lo dijeron, él dijo que todo lo que tuviera por delante sería un regalo, y que lo viviría como si fuera el último día de su vida

Desde un punto de vista científico, su nombre se halla estrechamente relacionado a la física de los agujeros negros, los cuales comenzó a estudiar cuando la comunidad aún los consideraba una mera curiosidad matemática de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. A principios de la década de 1970, Hawking comenzó a preguntarse por el comportamiento de las leyes cuánticas en la proximidad de un horizonte de sucesos, la superficie más allá de la cual nada, ni siquiera la luz, puede escapar. El físico conmocionó al mundo cuando demostró que dicha superficie debía emitir radiación, la cual pasaría a ser conocida poco después como «radiación de Hawking». Así pues, los agujeros negros no eran realmente negros.
Dicha emisión, razonó, haría que el agujero negro se fuese encogiendo poco a poco hasta desaparecer. Aún más impactante para los investigadores fue descubrir que dicho proceso parecía abocado a borrar información del universo, en contradicción con algunos de los principios básicos de la teoría cuántica, como el propio Hawking señaló en 1976.
Quizá porque la mayor parte de su trabajo fue de naturaleza teórica y difícil de comprobar experimentalmente, Hawking nunca recibió el premio Nobel. En 2016, no faltaron quienes se preguntaron si aún estaría a tiempo de obtener el galardón cuando Jeff Steinhauer, del Instituto Technion, en Israel, anunció que había hallado pruebas experimentales convincentes del fenómeno predicho por Hawking, aunque no en un verdadero agujero negro, sino en un sistema formalmente análogo compuesto por átomos fríos. Con todo, algunos expertos consideran que estos resultados no son aún concluyentes y muchos creen que su relevancia para los verdaderos agujeros negros es incierta.
Un indicio más directo de algunos de los hallazgos de Hawking podría provenir del estudio de agujeros negros astrofísicos por medio de ondas gravitacionales, una carrera que hace poco inauguró el Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO). En el pasado, Hawking y otros investigadores habían derivado una relación hoy considerada fundamental entre el área del horizonte de sucesos de un agujero negro y su entropía, una medida del grado de desorden de un sistema.
En 2016, al ser entrevistado por la revista Nature sobre la detección en LIGO de las ondas gravitacionales generadas por la fusión de dos agujeros negros, Hawking dijo que esperaba que las futuras observaciones fueran lo suficientemente sensibles como para confirmar una predicción suya de 1970: que el área del horizonte del agujero negro resultante debería ser mayor que la suma de las áreas de los horizontes de los agujeros negros que colisionaron; es decir, el mismo comportamiento que uno esperaría para la entropía termodinámica de cualquier sistema físico. «Me gustaría que pusieran a prueba mi teorema», señaló.
Davide Castelvecchi / Nature News

Toda la teoría de Hawking parte de la premisa de que el vacío no solo no es vacío, sino que es una sopa donde bullen todo tipo de partículas

En párrafos más abajo, encontraréis mi humilde contribución a la divulgación de que este vacío no es tan vacío 
Todo mi honor y gloria a la figura de este soberbio científico y, sobre todo, a ese gran luchador que había detrás de esa inolvidable imagen del hombre “aparentemente postrado” en esa silla




Mensajes amables de fin de semana: el vacío y la nada

Acabo de leer un libro precioso, de la colección “Un paseo por el Cosmos”, que sale a los kioskos con un tema diferente, cada fin de semana
El libro se titula: “El vacío y la nada” y lo escribe Enrique Borja, físico y divulgador científico


El título puede ser sugerente y/o deprimente….. ¿el vacío?, ¿la nada?: lo mejor que nos guarda la física actual es que este vacío no solamente está lleno de cosas sino que, como dice Alan Guth, creador de la teoría de la inflación:




El mensaje entre líneas es que realmente todo el Universo pudo haber salido……..!!! del vacío!!!!!, vía una fluctuación cuántica

Vamos con un resumen del libro, según mis humildes entendederas
La teoría y los experimentos de la física cuántica nos enseñan que el espacio, al extraerle toda la materia, es aún muy diferente que la nada ( o la concepción clásica del vacío )
El vacío cuántico, definido como el estado de mínima energía de un sistema físico, está lleno de campos que fluctúan
Estas fluctuaciones de los campos se pueden entender como una constante creación y aniquilación de partículas y antipartículas que aparecen de la nada
Pero como las distancias y los tiempos en que ocurren estas fluctuaciones son muy pequeños, los efectos de este mar de partículas del vacío cuántico solo se puede observar llevando a cabo experimentos de gran precisión o de alta energía
Afortunadamente, los científicos han ido llevando a cabo tales experimentos, convenciéndose así cada vez más que el vacío, valga la redundancia, no está vacío




En el Universo hay mucha más masa de la que se ve
Se ha descubierto que en el Universo hay mucha más masa de la que se ve, materia que se supone está compuesta por partículas que no emiten o interactúan con la radiación electromagnética, por lo que se la ha denominado materia oscura
Se puede asegurar que está ahí porque sus efectos gravitatorios son perceptibles. Las pruebas son múltiples
Sin materia oscura no se explica el movimiento de rotación de las galaxias; las partes exteriores de las que se observan tienen una velocidad de rotación alrededor de su centro que es mucho más alta que la que le correspondería por la masa visible, así que eso indica que hay más masa en una forma de materia que no se parecía

La expansión del Universo en el pasado fue más lenta que actualmente
Se midió en el año 1998, a través de dos proyectos científicos, el “Supernova Cosmology Project” y el “High-Z Supernova Search Team”
Los jefes de los dos proyectos mencionados recibieron el Nobel de Física en 2011 por el descubrimiento de la expansión acelerada del universo
Pero, ¿qué estaba produciendo esa aceleración de la expansión? . Parece que la respuesta solo puede venir de un sitio, del propio vacío
Este vacío aporta energía al universo y por tanto contribuye a la densidad de energía total, pero con un raro comportamiento gravitatorio: la energía del vacío produce repulsión gravitatoria en lugar de atracción, de manera que el universo se expande aceleradamente en contra de la gravedad atractiva
Esta energía del vacío es la que se conoce como energía oscura   

El origen del universo y la inflación cosmológica
La teoría que hoy por hoy más respaldo observacional tiene es la que se denomina inflación cosmológica
Parte de la idea de que el universo pasó por un estado de vacío de un campo denominado inflatón
Este campo era el único que existía entonces ( los campos usuales y sus partículas asociadas aparecerían más tarde ), y estaba distribuido por todo el espacio
Al igual que el campo de Higgs, el inflatón tenía un perfil de energía con un máximo local cuando su configuración era nula, es decir, podía estar en un estado de falso vacío, un estado sin partículas asociadas al campo pero sin ser el estado de mínima energía
Cuando se introduce la gravedad en esta situación se aprecia que el inflatón, en su estado de falso vacío, generó una repulsión gravitatoria y eso produjo una gran expansión del espacio, la inflación 







Los físicos buscan al inflatón, el ‘primo’ del bosón de Higgs que explicaría el origen del universo (Alan Guth, ‘padre’ de la inflación cósmica, en el ICHEP2014 de Valencia)

Hace dos años, el mundo entero se emocionaba con las palabras de un alemán de barba blanca ante cientos de físicos en Ginebra: “Creo que lo tenemos”. Rolf-Dieter Heuer, director del CERN, anunciaba así el 4 de julio de 2012 el hallazgo del bosón de Higgs, o al menos, de una partícula que podría encajar con su retrato robot.
Esta mañana, en Valencia, otro físico de pelo cano ha removido en sus asientos a centenares de colegas de profesión que lo escuchaban: “Creo que un mundo de infinitos universos, con infinitos ‘Big Bangs’, es la mejor explicación que tenemos para la realidad que observamos”. Con total aplomo, Alan Guth, el padre de la inflación cósmica, ha defendido el modelo de los multiversos en la Conferencia Internacional de Física de Altas Energías (ICHEP2014) que por primera vez se celebra en España en su 37ª edición.
El físico de Nueva Jersey ha comenzado su conferencia recordando al belga François Englert, codescubridor del mecanismo de Higgs, que no ha podido asistir al congreso por culpa de una torcedura de tobillo que lo mantiene postrado en la cama a sus 82 años.






El vacío y la nada (Físicos en el LHC y cosmólogos de todo el mundo se enfrentan a estos conceptos)
Saquemos los muebles de la habitación, apaguemos las luces y vayámonos. Sellemos el recinto, enfriemos las paredes al cero absoluto y extraigamos hasta la última molécula de aire, de modo que dentro no quede nada. ¿Nada? No, estrictamente hablando lo que hemos preparado es un volumen lleno de vacío. Y digo lleno con propiedad. Quizás el segundo más sorprendente descubrimiento de la física es que el vacío, aparentemente, no es la nada, sino una substancia. Aunque no como las otras...
Recientes observaciones cosmológicas indican que el universo está en expansión acelerada. Las galaxias no se comportan como flechas, sino como cohetes a los que algo empujara. La analogía no es buena, porque el concepto es difícil. Las galaxias no se fugan, están ya estabilizadas por su propia gravedad y tienen un tamaño fijo. Pero el espacio (o el vacío) entre ellas, se estira. Es como si alguien tomase la Tierra por un globo y la inflara: mañana estaría Barcelona aún más lejos de Huelva. Quién infla el universo sería la densidad de energía del vacío. El vacío sería pues una substancia activa, capaz de ejercer una repulsión gravitacional, incluso sobre sí mismo. No fue un error, sino un golazo de Einstein
Álvaro de Rújula es físico teórico del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN)





Simulación de cómo el detector CMS del LHC vería una colisión protón-protón que produce muchas partículas, incluyendo una de Higgs, que se desintegra en dos electrones (un electrón y un positrón, su antipartícula) y dosmuones (en el mismo sentido). CERN-CMS



Para los que quieran ampliar información, sugiero alguno de mis posts siguientes:

La teoría General de la Relatividad y la expansión del Universo

Mensajes amables de fin de semana: la Teoría General de la Relatividad y el origen del Universo

Mensajes amables de fin de semana...Einstein y el Hubble, feliz aniversario

Mensajes amables de fin de semana: Hubble y Einstein, mi segundo homenaje

Mensajes amables de fin de semana: somos polvo de estrellas ( Carl Sagan )



Como siempre, he incluido estas reflexiones en mi blog “Historias del LEAN”:

Que disfrutes cada hora del fin de semana

Un cordial saludo






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