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CURIOSIDADES CIENTÍFICAS PARA COMPARTIR

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La perturbadora teoría de los mundos paralelos

Alberto_Casas_cuadradaPor Alberto Casas (CSIC)*

En este mismo blog, en la pasada entrada, veíamos cómo la física cuántica, una teoría probada hasta la saciedad, nos enseña que un electrón (o cualquier objeto) puede estar en una superposición de estados. Esto significa, por ejemplo, que puede estar en dos posiciones a la vez; y que es al ser observado cuando se materializa en una de ellas. Por muy poco sentido común que parezca tener esta idea, es un hecho verificado experimentalmente.

Pues bien, existe una perspectiva alternativa (y científicamente sensata) de la física cuántica, la llamada Hipótesis de los Muchos Mundos o Universos Paralelos, que ofrece una interpretación distinta de lo que realmente sucede en el proceso de observación; una interpretación aún más extraña y sugerente.

Para entenderla, volvamos a considerar dos posiciones separadas por una distancia, A y B. Recordemos que un objeto cualquiera, por ejemplo un electrón, puede encontrarse en la posición A o en la posición B. Al primer estado lo llamamos ЕA y al segundo ЕB. Pero la física cuántica nos dice que el objeto puede estar también en una superposición de estados: ЕA + ЕB.

Superposición de estados

Esto significa que, en cierto modo, el electrón está en las dos posiciones a la vez. Según la interpretación ‘ortodoxa’ de la física cuántica, cuando una persona contempla al electrón anterior, este último aparecerá en una de las dos posiciones, A o B, con una probabilidad del 50% para cada una. Por el hecho de ser observado, el estado del electrón pasa de ser  ЕA + ЕB a ser  ЕA o ЕB, dependiendo de la posición en la que se materialice. A este fenómeno, producido por el mero hecho de observar, se le llama ‘colapso’.

Sin embargo, según la Teoría de los Muchos Mundos, el estado del sistema no cambia al ser observado, no hay ningún colapso: nuestro electrón anterior continúa en el estado de superposición: ЕA + ЕB, aun después de ser observado. Entonces, parece que la persona que observa debería ver el electrón en las dos posiciones a la vez. ¿Por qué no sucede así?

En realidad no hay nada contradictorio en ello. Pensemos que nuestra observadora también tiene un estado, llamémoslo Еobs.

Observadora

Si consideramos el sistema conjunto formado por la observadora y el electrón, su estado global es el producto de los estados de ambos:

Observadora y superposición de estados

Usando una igualdad matemática simple, este estado lo podemos expresar así (con su ‘traducción’ gráfica):

Igualdad matemática

Es decir, que, por el hecho de observar, la propia observadora está ahora en una superposición de estados: su ‘yo’ se ha desdoblado en dos ‘ramas cuánticas’.

Cada ‘yo’ observa cosas distintas. En una rama cuántica, la observadora ve la partícula en la posición A. En otra, la ve en la posición B. Naturalmente, las historias posteriores en cada una de las ramas serán también diferentes. Las dos realidades coexisten de forma simultánea.

Esta Hipótesis de los Muchos Mundos de la física puede parecer delirante… Lo cual la hace también apasionante. Con el tiempo, la interpretación de los Muchos Mundos ha ido ganando adeptos, y hoy en día se considera una perspectiva perfectamente seria de la física cuántica, aunque no está comprobada (y es difícil diseñar experimentos que puedan decidir entre ella y la ortodoxa).

Pensemos un momento sobre sus fascinantes implicaciones. Si se acepta la Hipótesis de los Muchos Mundos, el ‘yo’ que sentimos sería sólo una de nuestras versiones: el ‘yo’ de una cierta rama cuántica. Y de forma permanente se siguen creando desdoblamientos de nuestro ‘yo’, puesto que continuamente estamos realizando observaciones de uno u otro tipo. Los nuevos ‘yos’ que se crean a cada momento comparten un pasado común, pero tienen ante sí un futuro diferente. Esencialmente, todas las posibilidades potenciales se realizan en una rama u otra de nuestro complicado estado cuántico. Por ejemplo, si apostamos a un número en la ruleta de un casino, la mayor parte de los ‘yos’ que se crean en ese momento verán fallar la apuesta, pero en algunas afortunadas ramas nuestros ‘yos’ resultarán agraciados.

Múltiples observadoras

Esta perspectiva relativiza nuestra propia existencia. El valor de nuestras propias decisiones queda relativizado, dado que en otras ramas las decisiones tomadas pueden haber sido otras. Se trata de un panorama perturbador, aunque tal vez pueda ofrecer algún consuelo. Por ejemplo, los seres queridos que hemos perdido podrían continuar viviendo en otras ramas cuánticas, y nosotros disfrutando de su compañía en ellas. No podemos saltar de una rama a otra, ni comunicarnos con ellas; pero puede reconfortar el hecho de que ‘en otros mundos’ las cosas son distintas y quizá mejores.

*Este texto forma parte de una conferencia que Alberto Casas, investigador del CSIC en el Instituto de Física Teórica (CSIC-UAM), impartió en la edición de TEDxMadrid de 2014. Imágenes elaboradas por el equipo de TEDxMadrid.

 

La ‘insensatez’ de la física cuántica

Alberto_Casas_cuadradaPor Alberto Casas (CSIC)*

El sentido común se basa en los juicios que realizamos sobre las cosas basándonos en nuestra propia experiencia. El problema es que nuestra experiencia es muy limitada. Esto es así probablemente en muchos aspectos (economía, derecho, psicología, etc.), pero lo es sin duda en lo que concierne a la realidad física: nuestra experiencia abarca un rango muy limitado de escalas físicas (escalas de distancia, tiempo, energía…). Los modelos mentales que utilizamos para describir la naturaleza en esos rangos suelen fracasar cuando se extrapolan a otros más amplios. El sentido común no siempre es una guía fiable.

Gracias al método científico podemos investigar el mundo más allá de nuestra experiencia directa, revelando la naturaleza más profunda de las cosas. Y, efectivamente, a menudo encontramos que esa naturaleza contradice nuestro sentido común.

Por ejemplo, cuando en la Antigüedad se creía que la Tierra era plana, simplemente se extrapolaba (erróneamente) la experiencia cotidiana a escalas más grandes. Los científicos pioneros de la antigua Grecia fueron capaces de comprender que la Tierra era realmente redonda y que su aparente ‘planitud’ era una ilusión óptica producida por nuestras limitaciones para percibir la realidad.

Desde entonces la ciencia ha avanzado enormemente y nos ha revelado muchos otros rasgos sorprendentes de la naturaleza. Ahora sabemos que, al igual que pasó en su momento con la ‘planitud’ de la Tierra, la forma en la que percibimos la realidad es en gran medida una ilusión óptica, una falsa apariencia de la realidad profunda de las cosas. Y seguramente la teoría científica que nos revela aspectos más insólitos de la realidad es la física cuántica.

Cuando se habla de física cuántica hay que tener en cuenta que no se trata de una mera especulación. De hecho, es posiblemente la teoría científica más exitosa de la historia. Sus predicciones han sido comprobadas con una precisión fantástica en los ámbitos más variados. Y nunca se le ha encontrado un fallo. Se trata, por tanto, de una teoría extraordinariamente robusta, tanto desde el punto de vista teórico como desde el experimental.

Sin embargo, cuando se estudia la física cuántica parece casi una locura, ya que choca frontalmente con nuestro sentido común más básico. Ésta es una de las razones por las que cuesta tanto entenderla, y también por la que resulta tan fascinante. Entre las causas de esta dificultad de comprensión, está la superposición de estados físicos.

Imaginemos dos posiciones A y B separadas por una distancia, que podría ser de un milímetro o de 1.000 kilómetros, eso da igual.

Dos posiciones

Consideremos ahora un objeto, por ejemplo una partícula elemental, digamos un electrón. Intuitivamente, el electrón podrá encontrarse en la posición A o en la posición B. Al primer estado lo llamamos EA y al segundo ЕB:

Estados A y B

La idea intuitiva, o clásica, es que el electrón estará en A o en B, o sea su estado será EA o EB.

Sin embargo, la física cuántica nos enseña que el estado del electrón puede ser una superposición de ambos: EA + EB:

ambos estados a la vez

¿Significa esto que el electrón puede estar en las dos posiciones, A y B, a la vez? En cierto modo sí, por extraño que parezca. Y se trata de un hecho verificado experimentalmente hasta la saciedad. Hemos puesto el ejemplo con un electrón, pero podríamos hacer lo mismo con una pelota o un planeta: cualquier sistema físico puede estar en una superposición de estados.

Entonces, ¿cómo es que nunca vemos objetos en dos posiciones a la vez? Esto tiene que ver con el papel especial que la física cuántica reserva a los observadores. Cuando un observador contempla el electrón anterior, este último aparecerá en una de las dos posiciones, A o B,  con una probabilidad del 50% para cada una. Es como si la persona que observa hiciera que el electrón se manifestase de repente en una de las dos posiciones.

Esto tiene una implicación extraordinaria: los observadores son capaces de cambiar el estado de los sistemas físicos sólo con observarlos. En nuestro caso, si hemos encontrado el electrón en la posición A, su estado ha pasado de ser EA + EB a ser simplemente EA.

estados y observadora

Este cambio del estado de un sistema, solo por el hecho de observarlo, se conoce con el nombre de ‘colapso’.

Pensemos un poco más sobre el significado de todo esto. En la vida ordinaria usamos muchas veces el concepto de probabilidad (a menudo de forma inconsciente), pero siempre como un reflejo de nuestra ignorancia, no como algo esencial. Por ejemplo: es un juego típico con niños y niñas mostrarles los dos puños cerrados para que adivinen en cuál se oculta un caramelo. Cuando eligen una mano, saben intuitivamente que la probabilidad de que el caramelo esté ahí es del 50%. Pero esta probabilidad no es real. El caramelo no se ‘materializa’ al azar en una de las dos manos cuando las abrimos, sino que estaba en ella desde el principio. Pensar lo contrario sería absurdo. Pero este ‘absurdo’ es lo que sucede con el electrón anterior según la física cuántica. El electrón en el estado EA + EB  no tiene una posición definida. No es que la tenga y nosotros la desconozcamos, es que no la tiene. Y es al medir su posición (el equivalente a abrir las manos) cuando efectivamente se manifiesta en una de ellas de forma aleatoria.

Hay que decir que la física cuántica no aclara qué seres están cualificados como observadores, es decir, son capaces de cambiar los estados al observarlos: ¿solo los humanos?, ¿cualquier ser con conciencia, como un perro?, ¿cualquier objeto de un cierto tamaño, como una cámara fotográfica? La respuesta a estas preguntas no se conoce. Es un problema abierto…

problema abierto

En cualquier caso, se interprete como se interprete, la física cuántica nos ofrece un ejemplo extremo de que la realidad profunda de las cosas es enormemente más antiintuitiva, compleja, perturbadora de lo que creíamos; pero también enormemente más rica y fascinante que la imagen de rasgos bien definidos que, engañosamente, nos ofrecen nuestros limitados sentidos, experiencia y sentido común.

 

*Este texto forma parte de una conferencia que Alberto Casas, investigador del CSIC en el Instituto de Física Teórica (CSIC-UAM), impartió en la edición de TEDxMadrid de 2014. Imágenes elaboradas por el equipo de TEDxMadrid.

¿Puede el LHC generar un agujero negro que se trague la Tierra?

Por Mar Gulis

William E. East y Frans Pretorius, investigadores de la Universidad de Princeton, reavivaron en 2013 la polémica sobre si el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el mayor acelerador de partículas del mundo, podría crear un agujero negro. Sin embargo, su teoría no ha tenido mucho recorrido en la comunidad científica. Vamos a contar por qué.

Ambos físicos se apoyaban en la tesis de que la colisión de dos partículas que viajan muy rápido (concentrando energía en un punto concreto) puede generar un agujero negro. Desde esta premisa su hipótesis era que el LHC tendría la capacidad para producirlos, debido a que sus experimentos consisten básicamente en provocar estas colisiones.

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Interior del Gran Colisionador de hadrones (LHC), ubicado en el CERN de Ginebra / CERN.

Para quienes no estén familiarizados con el LHC, aquí va una breve explicación. Situado en la frontera franco-suiza, cerca de Ginebra, el LHC –donde se está confirmando la existencia del famoso bosón de Higgs– es un gigantesco anillo de 27 kilómetros de circunferencia y ubicado a 100 metros de profundidad. Por su interior circulan billones de protones en los dos sentidos. Estas partículas subatómicas son aceleradas a velocidades vertiginosas, concretamente a un 99,999999% de la velocidad de la luz, para que choquen entre sí millones de veces por segundo. En esta especie de gran tubería hay, además, unos complejos detectores que registran los resultados de las colisiones para su posterior análisis. Cada uno de esos choques produce cientos de partículas –entre ellas la que podría ser el bosón de Higgs– cuyo estudio puede mejorar nuestro conocimiento de la naturaleza y el universo.

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Traza hipotética del bosón de Higgs que produciría una colisión en el LHC / Wikipedia

Como decíamos, el artículo de East y Pretorius, publicado en el diario Physical Review Letters en 2013, apuntaba a una hipotética peligrosidad de las colisiones realizadas en el LHC. Aunque tuvo una aceptación minoritaria, el estudio levantó cierta polémica. El físico teórico del CSIC Alberto Casas, que ha participado en más de una ocasión en los experimentos del Gran Colisionador, sostiene que la comunidad científica tenía pruebas de que no existía el más mínimo riesgo.

“Todas las teorías indicaban que era prácticamente imposible producir un agujero negro, solamente algunas muy exóticas decían lo contrario”, explica. E incluso esas teorías decían que, de producirse, el agujero se desintegraría inmediatamente. Aun así, Casas añade que los más escépticos podrían argumentar: “¿Y si las teorías están equivocadas y se produce un agujero negro que no se desintegra, empieza a chupar materia y al final se traga toda la Tierra?”

Él niega que esto sea posible. Aunque en el LHC se consiguen colisiones muy energéticas, no son las únicas. La Tierra, tal y como recuerda Casas, recibe cada día unas 10.000 colisiones por segundo tan energéticas como las del LHC o más y existe desde hace 5.000 millones de años. Los rayos cósmicos –partículas de tipos diversos que provienen del espacio exterior– son un ejemplo. Aunque la mayor parte tienen una energía mucho menor que la alcanzada en el LHC, algunos la igualan o incluso la superan.

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Simulación de una radiación cósmica causada por el impacto de una partícula proveniente del espacio exterior / Wikipedia.

En realidad, desde su nacimiento, la Tierra habría recibido impactos 100.000 veces superiores a los ocasionados por el LHC y ha sobrevivido. Más allá de la Tierra, hay otros muchos objetos más grandes que nuestro planeta que reciben impactos y ahí siguen, como es el caso del Sol. Resulta que cada segundo en el universo visible tienen lugar colisiones equivalentes a 30 billones de experimentos en el LHC y no hay ninguna señal de catástrofes. Hasta el momento, estas colisiones nunca han producido un agujero negro que se haya tragado la Tierra, los planetas o las estrellas.

Por cierto, actualmente el LHC se encuentra sometido a tareas de mantenimiento, pero a partir de 2015 volverán a provocarse colisiones en su interior. El reto seguirá siendo detectar el bosón de Higgs y otras partículas entre los millones de choques para entender por qué las cosas tienen masa, de qué está hecho el vacío y otras leyes básicas de la Naturaleza.

 

Si quieres más ciencia para llevar sobre el LHC y los agujeros negros, consulta el libro El LHC y la frontera de la física (CSIC-Catarata), de Alberto Casas, y El bosón de Higgs (CSIC-Catarata), de Alberto Casas y Teresa Rodrigo.

¿Qué tiene que ver la nieve de tu televisor con el origen del universo?

televisor nievePor Mar Gulis

Hay que echarle algo de imaginación, pero si nos lo proponemos podemos convertir cualquier momento en el que no haya nada interesante en la televisión en una observación de los orígenes del universo. Y todo sin moverse del sofá.

Lo primero es olvidarse de los canales digitales y ponerse a sintonizar alguna frecuencia analógica, igual que en los viejos tiempos. Como después del ‘apagón analógico’ en España ninguna cadena realiza este tipo de emisiones, encontraremos algo que seguramente nos resulte familiar: la famosa nieve o ruido blanco. La mayor parte de ese ruido proviene del mismo receptor o de otras emisiones de origen humano, como las de radio. No obstante, se estima que el 1% de ese ruido está provocado por la llamada radiación cósmica, que se originó hace unos 13.700 millones de años, cuando el universo ‘acababa’ de nacer.

La radiación cósmica había sido predicha por el astrofísico de origen ruso George Gamow en 1948, pero fueron los jóvenes radioastrónomos A. Penzias y R. Wilson quienes, en 1965, recogieron la primera evidencia de este fenómeno… aunque lo hicieron de forma totalmente casual.

Penzias y Wilson habían dedicado enormes esfuerzos a ‘limpiar’ el ruido parásito y las interferencias de una antena que pretendían utilizar para captar ondas de radio emitidas por nuestra galaxia. Sin embargo, había una extraña señal de microondas en forma de silbido que no lograban hacer desaparecer por  más que limpiaran y desmontaran la antena una y otra vez.

Lo asombroso de esa señal es que parecía venir de todas partes y llegaba a todas horas. Penzias y Wilson no comprendieron la importancia de este descubrimiento hasta que contactaron con el equipo de Robert Dicke, que casualmente estaba buscando aquello de lo que ellos querían librarse solo a 50 kilómetros de su antena, en la Universidad de Princeton. El divulgador Bill Bryson cuenta que poco después la revista Astrophysical Journal publicó un artículo de Penzias y Wilson en el que describían su experiencia con el silbido y otro de Dicke que explicaba que su origen era la radiación cósmica… pero el Nobel de física de 1978 fue solo para los primeros.

Una pena por Dicke, ¿pero qué es eso de la radiación cósmica? El físico del CSIC Alberto Casas explica que su origen se remonta a cuando el universo tenía ‘solo’ 380.000 años. Hasta entonces el cosmos era una especie de ‘sopa traslúcida’, conocida como plasma, compuesta principalmente por fotones, electrones y núcleos de elementos ligeros, como el hidrógeno y el helio.

Sin embargo, en aquel momento la temperatura descendió por debajo de los 3.000 grados y los electrones (con carga negativa) se hicieron suficientemente lentos como para que los núcleos (con carga positiva) los capturaran para formar átomos neutros. Eso, a su vez, hizo que los fotones dejaran de chocar constantemente con partículas positivas y negativas y pudiesen viajar libremente y en todas las direcciones sin interrupciones… La luz, tal y como la conocemos, acababa de ‘nacer’.

Final del plasma

Lo que pasa es que esos fotones han ‘envejecido’ junto con el universo y por eso ya no nos llegan en forma de luz, sino en forma de microondas: a medida que el cosmos se ha ido expandiendo, la longitud de onda de los fotones de la radiación cósmica también lo ha hecho.

Ondas

Como resultado estos fotones, además de invisibles, se han hecho menos energéticos y más fríos: ahora, en lugar de 3.000 grados centígrados, su temperatura es de 270 bajo cero. Esto puede parecer poco pero curiosamente significa que son la calefacción del universo: si no estuvieran en todas partes, la temperatura del cosmos se encontraría en el cero absoluto, a menos 273 grados.

Sin embargo, la temperatura de la radiacón cósmica no es totalmente homogénea. Existen pequeñísimas diferencias del orden de la cienmilésimas de grado en la radiación que alcanza la Tierra desde distintas direcciones. Los fotones de esta radiación que llegan a nuestro planeta ‘justo’ ahora partieron cuando el plasma dio lugar a un universo de átomos neutros, por lo que el mapa de nuestro cielo que representa las diferencias de temperatura de la radiación cósmica constituye la ‘fotografía’ más antigua que tenemos del universo. Esas inhomogeneidades de temperatura corresponden a las diferentes densidades que tenía el plasma en aquel momento y son una enorme fuente de información para conocer cómo era el cosmos en sus primeros años de vida.

Temperatura de la radiación de fondo

Mapa del cielo representando la temperatura de la radiación de fondo. / NASA-WMAP Science Team.

Así que la próxima vez que aparezca nieve en tu televisor no pienses que no hay nada que ver. Ese ruido puede tener más contenido que la programación habitual…

 

Si quieres más ciencia para llevar sobre la radiación cósmica y la historia del universo consulta el libro El lado oscuro del universo (CSIC-Catarata), de Alberto Casas.

¿Qué había ‘antes’ del Big Bang?

Por Mar Gulis

Dice el físico Alberto Casas que hacerse esta pregunta tiene el mismo sentido que preguntar qué hay al sur del Polo Sur.

Universo dedalSi nos guiáramos solo por las apariencias y creyéramos que la Tierra es plana, podríamos imaginarnos caminando hacia el sur de forma indefinida, del mismo modo que la intuición nos puede hacer pensar que es posible remontarnos a un tiempo anterior al Big Bang. Sin embargo, desde hace algunos siglos sabemos que nuestro planeta es redondo y que, una vez alcanzado el Polo Sur, por más que sigamos caminando en la misma dirección nos estaríamos dirigiendo hacia el norte.

Pues bien, al espacio-tiempo le pasa algo parecido. En su libro El lado oscuro del universo, el investigador del CSIC explica que podemos representar la historia del universo como un gigantesco dedal colocado hacia abajo. En el vértice inferior estaría el Big Bang, “el instante cero en el que todo el universo conocido estaba comprimido en un punto”, y en la abertura superior, el universo actual, con una edad de nada más y nada menos que de 14.000 millones de años.

Si nos desplazáramos hacia arriba por la superficie del dedal encontraríamos que su anchura es cada vez mayor porque, como sabemos, el universo se encuentra en expansión. En cambio, si tratáramos de retroceder  en el tiempo y quisiéramos remontarnos ‘más allá’ del Big Bag nos encontraríamos volviendo a avanzar en el tiempo.

Campo ultraprofundo del Hubble. Se trata de la imagen más lejana del universo obtenida con luz visible / NASA, ESA

Campo ultraprofundo del ‘Hubble’. Se trata de la imagen más lejana del universo obtenida con luz visible / NASA, ESA

“Cuesta imaginarlo, pero matemáticamente no hay ningún problema en formularlo”, explica Casas. En cierto modo, esta conclusión es muy parecida a la que llegó San Agustín cuando, en el siglo V, los teólogos se preguntaban qué hacía Dios antes de crear la Tierra y los Cielos. Su respuesta fue que no tenía sentido preguntar a qué dedicaba Dios su tiempo antes de crear el tiempo.

No hay por qué desanimarse. Aunque la ciencia diga que no podemos remontarnos ‘antes’ del Big Bang, sí que puede explicarnos, y muy bien, qué pasó justo después. Tanto, que los físicos han establecido el ‘nacimiento’ de los primeros protones y neutrones una diezmillonésima de segundo después de la gran explosión, mientras que la aparición de los primeros núcleos formados por protones y neutrones (deuterio, helio, helio-3, litio) se habría producido a los 100 segundos.

Los primeros átomos no se formarían hasta pasados los 380.000 años, pero esta es otra historia de las que nos ocuparemos próximamente…