Física: espuma cuántica y átomos del espacio-tiempo

Nota especial: los artículos de ciencias en el blog tienen como finalidad informar a los lectores de temas de actualidad relacionados con el mundo de la física, la astronomía, la cosmología, la biología, y otras ramas del conocimiento. Estos artículos no tienen una gran cantidad de lecturas iniciales, pero pasan las semanas, meses y años, y siguen siendo leídos de forma constante. La idea de ser divulgativos es su primera directriz. Quiero agradecer a todos los lectores su interés por estos artículos, de una cierta densidad en algún caso, pero con una finalidad muy clara: acercar la ciencia a todo el mundo. Y, como siempre, estoy abierto a responder a cualquier duda sobre el texto que pueda haber. Muchas gracias.

Vamos ahora a hablar de una serie de conceptos sobre física entrelazados entre sí y de gran actualidad en este nuevo ensayo sobre física básica. Se me ocurrió plantearlo mientras estaba en una pastelería, por curioso que pueda parecer. Estaba hace poco comprando un pastel para una celebración, en una pastelería de esas que tienen productos que parecen hechos por arquitectos salidos de alguna escuela de diseños arquitectónicos, con cosas realmente increíbles. La verdad es que hay artistas increíbles por el mundo, artistas que no conoce casi nadie, pero cuyos trabajos son realmente admirables. Y el mundo de la pastelería no es una excepción. Da pena comerse uno de esos pasteles tan bien elaborados.

El caso es que mi presupuesto era pequeño y modesto como es habitual, y le pregunté el precio a la señorita pastelera de un pastel que parecía adecuado a mi capacidad económica. Me dijo el precio, que me pareció adecuado a mis posibilidades, y le pregunté de qué estaba relleno. Entonces me dijo que estaba relleno de nada. Yo asentí y, con rostro serio, le pregunté:

—De acuerdo, pero, ¿es nada de calidad?

La señorita pastelera se rió entre dientes, mientras pensaba: “ya me ha tenido que tocar uno de esos graciosos”, y mientras sentía la imperiosa necesidad de tirarme el pastel por la cabeza. Pero la señorita es una profesional, y se contuvo como pudo. Metió el pastel en una cajita de cartón, y me dio la cajita mientras sonreía, con una mirada asesina que decía: “a ver si se te indigesta”.

Entonces salí huyendo de la pastelería, antes de que la pastelera cambiase de opinión y  me lanzase algún objeto contundente, y empecé a pensar que, en realidad, mi pregunta no era del todo incorrecta. Al fin y al cabo, ese pastel tenía un relleno de nada, y la pastelera quería decir con ello que el pastel estaba formado simplemente por la masa principal, sin ningún otro aditamento. Pastel relleno de nada. Pero, ¿está la nada formada por nada? ¿Se puede decir que la nada implica que no hay realmente nada en el pastel? Vamos a darle un par de vueltas a esta idea, y a cocinar a continuación algunos conceptos sobre la nada.

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La famosa, aunque efímera, imagen del agujero negro; portadas que duran un día de uno de los descubrimientos más importantes de la historia

La nada, o el vacío, si usted lo quiere definir así, está completamente llena, tanto como un estadio de fútbol en una final de Champions. No importa el vacío que usted pueda generar con los medios más sofisticados, usando las mejores bombas de vacío. La nada no existe más que como concepto mental. De hecho, la nada está tan llena que hay golpes por conseguir sitio en ese vacío lleno de todo. ¿Y qué es ese todo?

espuma
No podemos observar fenómenos a la escala de Planck, pero sí podemos inferir lo que sucede de forma indirecta, lo cual se lleva a cabo en el acelerador LHC de Ginebra

Ese “todo” del que hablo trata de algo con un nombre tan sutil como la “espuma cuántica”. Y no, no es una nueva espuma de afeitar. Se trata de un interesante fenómeno físico, cuya existencia abre muchas preguntas, y pocas respuestas, a la naturaleza del universo.

Espuma cuántica: cuando la nada es un todo casi uniforme.

Vamos a empezar por un átomo. Ya sabe, el núcleo está en el centro con protones y neutrones, y los electrones dan vueltas alrededor, como un Sol con planetas. Esta imagen bucólica y sencilla del átomo está bien para explicar en el colegio a los chicos, pero en realidad un átomo es algo bastante diferente a ese concepto. Por ejemplo, ¿de qué está formado un átomo? Hemos de partir de una base fundamental:

El 99% del un átomo está formado por vacío.

atomo_helio
Un átomo de helio, cuyo centro está formado por dos protones y dos neutrones, con un diámetro de 1 angstrom, o 0,1 nanómetros. Sin embargo, el núcleo ocupa solo 1,5 femtómetros, es decir, la milbillónesima (1.000.000.000.000.000) parte de un metro. La sombra decreciente representa la onda de probabilidad de la función de onda inherente a la posición de los electrones y sus orbitales

Como puede verse en la imagen, y teniendo en cuenta los tamaños y distancias relativos, se puede inferir que un átomo está prácticamente formado de nada, como el pastel que compré en esa pastelería. Los protones y neutrones se sitúan en el centro, con unos electrones 1800 veces más ligeros que esos protones y neutrones. La distancia a la que se encuentran los electrones frente a los protones es enorme, tanto es así que se puede decir que los átomos están vacíos.

Con ello podemos concluir que:

El 99% de la materia está formada por nada.

proton_foam
Protones y neutrones conforman el núcleo de los átomos. Su estructura, formada por quarks unidos por gluones mediante la fuerza nuclear fuerte, es mucho más compleja de lo que podría parecer

Vaya, esto es algo que llama la atención, sin duda. Resulta que todo lo que vemos y tocamos está formado por átomos, que forman moléculas. Pero estos átomos, y estas moléculas, son básicamente, en un 99%, espacio vacío. El universo es básicamente un enorme vacío, con unas motitas aquí y allá. Teniendo en cuenta que nosotros somos átomos, podemos decir que estamos formados de nada.

Entonces viene la pregunta: si la materia es básicamente espacio vacío, ¿por qué no nos caemos, atravesando el suelo, y llegamos al centro de la Tierra, por efecto de la gravedad? Si los átomos de nuestros zapatos son casi espacio vacío, y los átomos del suelo son casi espacio vacío, podríamos esperar que unos atravesasen a otros, con algunas colisiones de vez en cuando, pero solo muy esporádicas. Atravesaríamos el suelo, y caeríamos hasta el centro del planeta, donde quedaríamos atrapados para siempre. ¿Por qué no ocurre esto?

Atraccion-y-repulsion
Con virutas de hierro se pueden dibujar las líneas del campo electromagnético de los imanes, y ver esos campos interactuando entre polos iguales y distintos, es un experimento que se puede hacer fácilmente en casa

Por un fenómeno llamado “repulsión electromagnética”. Es la misma repulsión que sentimos cuando tomamos dos imanes, e intentamos que sus polos negativos se unan. Sentimos una fuerza en sentido contrario que tiende a separar los imanes. Cuando era pequeño disfrutaba intentando que dos polos negativos o dos positivos de dos imanes quedasen unidos. Nunca lo conseguí claro. Pero era divertido.

Con nosotros ocurre lo mismo que con los imanes: los átomos de nuestros zapatos tienen capas exteriores formadas por electrones. Un átomo en estado neutro tiene una capa exterior de electrones, casi siempre formando enlaces con otros átomos, en lo que se conoce como moléculas. Los átomos y moléculas del suelo tienen por supuesto esas mismas capas de electrones.

Cuando ponemos el pie en el suelo, los electrones de las capas exteriores generan una repulsión sobre los electrones de las capas exteriores de los átomos del suelo. Esa repulsión es muchos órdenes de magnitud superior a la fuerza de gravedad de la Tierra. Tanto es así que, aunque en un principio el pie tiende a hundirse en el suelo, la repulsión electromagnética genera una fuerza en sentido contrario, y evita que los átomos de los pies atraviesen los átomos del suelo. ¿Qué podemos concluir de esto?

Que caminamos sobre un campo electromagnético formado por una gran extensión de vacío lleno de nada.

O sea, podemos decir que el suelo que sentimos no es materia, sino repulsión electromagnética en una nada gigantesca…

¡Vaya! Toda la vida pensando que caminábamos porque la gravedad nos atraía contra la Tierra… Y resulta que sí, eso es en parte cierto; la gravedad nos atrae. Pero caminamos sobre un campo electromagnético generado entre nuestros zapatos y el suelo sobre el que caminamos.

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Este cuadro resume muy bien las similitudes y diferencias entre el campo gravitatorio y el eléctrico. Recordemos que Maxwell dotó de ecuaciones al segundo, mientras que Newton y luego Einstein desarrollaron el primero. En el caso de Einstein sin embargo g ya no es una fuerza sino una distorsión del espacio-tiempo, que se puede conocer y tratar estudiando los espacios de Hilbert.

¿Qué ocurre en el mar? Esa repulsión es menor, el agua permite que nuestros átomos se abran paso en el campo electromagnético, ya que los átomos del agua se deslizan entre unos y otros. Por eso podemos atravesar el agua, y caer al fondo del mar, si no flotamos claro. Cuando se llega al suelo, volvemos con la repulsión del suelo de la base marina.

Entonces, ¿tenemos que aceptar que los átomos son vacío? Aquí entramos en un problema algo más complejo. Podemos definir que sí, que los átomos son espacio vacío. Pero ese vacío, ese 99% de espacio donde no hay protones, neutrones, ni electrones (aunque sí los campos correspondientes a esas partículas, pero ese es otro tema), ese vacío digo, sí está relleno de lo que antes comentaba: la espuma cuántica. ¿Y qué es la espuma cuántica?

Espuma cuántica: un mar eterno de partículas virtuales.

Es algo bastante increíble, la verdad. Y tiene efectos mensurables, tal como comenté en este enlace con el efecto Casimir. Imaginemos que pudiésemos ampliar un átomo al tamaño de un campo de fútbol, donde el núcleo es una pequeña bolita en el centro. Una bolita del tamaño de una pelota de tenis. Los electrones serían pequeñas esferas, del tamaño de canicas (o bolinches si lo prefiere) en los laterales del campo de fútbol. ¿Y el resto? ¿Sería la famosa “nada”? En principio sí, pero hay algo más.

Todo el resto del espacio, y cuando digo todo me refiero a todo, estaría formado por una enorme marea de partículas que aparecen y desaparecen constantemente. Partículas que se denominan “virtuales” por dos razones: porque su tiempo medio de vida es infinitesimal, y porque no pueden ser cuantificables como unidades. Es decir, no podemos medir la posición y distancia probabilísticas de esas partículas siguiendo el principio de incertidumbre de Heisenberg, porque no tienen tiempo de interactuar con el entorno. Pero el campo que generan en su conjunto sí tiene efectos a escala global. Y ahí es donde entra a escena el efecto Casimir, al que me he referido antes.

Luego, podemos decir, sin temor a equivocarnos, que el vacío, la nada, está completamente llena, y, de hecho, es una constante sucesión de partículas que van y vienen. Aparecen, existen, y se aniquilan a una velocidad asombrosa. Su existencia solo se puede inferir de su efecto acumulativo, y forma parte de ciertos fenómenos que suceden dentro de los átomos, y que no se pueden explicar de otra forma.

Luego, aunque esas partículas no pueden detectarse, sí generan interferencias con las partículas reales, y esos efectos sí pueden medirse, por lo que podemos determinar la naturaleza y comportamiento de las partículas virtuales. De hecho, el famoso bosón de Higgs, erróneamente llamado “la partícula de Dios” se descubrió entre otras cosas gracias a las partículas virtuales generadas en la espuma cuántica (ver vídeo a continuación sobre partículas virtuales y sus efectos).

Aquí entramos en una curiosa contradicción: el espacio vacío está lleno de todo. Solo que ese todo, la espuma cuántica, tiene un efecto indirecto en la materia y la energía, que solo se tiene en cuenta bajo ciertas circunstancias, pero que está ahí, y no puede ni debe descartarse. Luego, podemos concluir que el universo está lleno de actividad, cuando se habla de escalas nanométricas. Ese presunto vacío del espacio lo es a la escala humana. A la escala subatómica, el universo vibra con cada átomo, y el concepto de vacío deja de tener sentido en su concepción más amplia. Esa espuma cuántica está formada de partículas virtuales, que aparecen y desaparecen constantemente.

En este vídeo Claudia García del Instituto de Física Teórica nos explica con gran detalle la naturaleza de las partículas virtuales.

 

Radiación Hawking.

¿Hay algún lugar del universo donde esas partículas cobren alguna importancia en especial? Sí, lo hay, o eso nos dice la teoría actual: en el horizonte de sucesos de los agujeros negros. El horizonte de sucesos es una esfera que rodea a los agujeros negros, y que, una vez se atraviesa, ya no permite que nada escape a la influencia gravitatoria. Allí, en los agujeros negros, la gravedad es tan grande que esa repulsión electromagnética de la que hablaba antes es menor que la gravedad. Tanto es así que la gravedad literalmente destroza los átomos, y funde protones con electrones, formando neutrones. En las estrellas de neutrones, una cucharada de café de una estrella de ese tipo pesa tanto como un barco de 100.000 toneladas. Por ejemplo un portaaviones estadounidense estaría concentrado en la cucharita. Menuda cucharita.

En el agujero negro ni siquiera los neutrones pueden resistir la fuerza, y ocurre algo que desafía las leyes físicas actuales. No existe una teoría todavía que explique de forma real qué pasa en el centro de un agujero negro.

Pero, volviendo al horizonte de sucesos, ¿qué pasa con las partículas virtuales? Imaginemos que se crean un par de partículas virtuales, pero una está dentro del horizonte de sucesos, y la otra está fuera. La que está fuera escapará del agujero negro, convirtiéndose en una partícula real. La que está dentro interactuará con el agujero negro. Esto provocará una radiación que irá poco a poco desintegrando el agujero negro, y esa es la radiación Hawking. Precisamente ahora se quiere investigar todo eso con el Event Horizon Telescope. En el vídeo abajo se habla de este tema, mediante la conferencia que imparte la investigadora que ha hecho posible obtener la imagen directa del agujero negro: Katie Bouman.

radiacion_hawking
La relatividad general nos habla de agujeros negros básicamente estáticos, pero las ecuaciones de Hawking añaden un elemento perturbador que desintegra el agujero negro: la radiación Hawking debido a las partículas virtuales

 

Origen de la espuma cuántica.

Vemos, por lo tanto, que la espuma cuántica es un fenómeno que surge espontáneamente, y continuamente, del tejido espacio-temporal. Es decir, es intrínseco al espacio, que es el tejido sobre el que actúan materia y energía. Y no olvidemos que el espacio y el tiempo son dos caras de la misma moneda, como muy bien demostró Einstein en 1915 con la teoría de la relatividad general. Ahora bien, ¿cuál es la naturaleza exacta de esta espuma cuántica? ¿A qué se debe su actividad? No se sabe. Pero es muy probable que tenga que ver con la propia naturaleza del tejido espacio-tiempo. Su estructura y actividad cuántica provocan la aparición constante de estas partículas virtuales, por lo que el tejido espacio-temporal tiene que estar necesariamente formado por partículas.

En su teoría de la gravedad cuántica de bucles, que es una extensión de la relatividad general, el doctor Lee Smolin postula que el espacio-tiempo es en realidad un tipo de “átomo” que conforma lo que nosotros percibimos como el tejido del espacio. Luego, desde esta visión, el propio espacio, y el tiempo, que insisto, son básicamente lo mismo, tienen una naturaleza cuántica, y un valor mínimo que conforma la base del universo. Si esto fuese así, ¿sería posible alterar las propiedades espacio-temporales del universo, actuando sobre estos “átomos” de tal forma que se pueda alterar no solo el espacio, sino también el tiempo?

No lo sabemos, por supuesto. Pero, de ser cierta la teoría, o al menos su base, se podría plantear esta pregunta, al menos desde un punto de vista teórico. Y ello tendría enormes consecuencias en el desarrollo de la física teórica, y, por supuesto, en la ingeniería para el diseño de naves espaciales que aprovecharan esa propiedad, tal como expliqué en los diseños de motores warp, basados en la física del físico Miguel Alcubierre.

Al final el pastel sí tenía relleno.

Así que, cuando la pastelera me ha dicho que el pastel no tenía nada, sin duda no se equivocaba en cuanto a receta pastelera. Pero mi pregunta no iba demasiado desencaminada. Claro que yo no puedo decirle eso a la pastelera, porque la patada giratoria en el hígado me la habría dado seguro, y yo me la habría merecido.

Pero, bromas aparte, lo cierto es que vivimos en un mundo vacío que está completamente lleno. Es una paradoja, otra más de ese mundo microscópico que es el universo de las partículas. El universo no es como nosotros queramos que sea, por mucho que insistamos en ello. Y al universo no le importan ni le interesan nuestros prejuicios, ni nuestras creencias, ni nuestros valores morales y éticos.

El universo es como es, y podemos ser valientes para afrontarlo, o cobardes para negar esa realidad, y crear otra alternativa donde refugiarnos. Que cada cual decida. Yo prefiero afrontar la verdad, por dura y fría que sea. Porque aceptar la verdad es el primer paso para poder cambiarla.

Por ello, va bien recordar las palabras del genial físico Richard Feynman:

feynman


Addendum.

Dejo aquí un vídeo de 2017 de la doctora Katie Bouman del MIT, “Cómo hacer una foto de un agujero negro”. Bouman es la creadora del algoritmo que ha permitido finalmente ver el primer agujero negro de forma directa. Sorprendente relato de esta jovencísima investigadora de cómo estaba preparando su trabajo cuando solo tenía 27 años, que ha hecho un descubrimiento que normalmente llenaría páginas y páginas con su nombre.

Pero, al tratarse de algo como son los agujeros negros, y también por el hecho de ser mujer, se ve relegada al olvido. Un día popular, y al siguiente, el olvido. Memento mori.

Ser mujer y brillante en el mundo de la ciencia es un peligro, ayer, y hoy, y a las pruebas me remito (el vídeo anterior de Claudia García es otro ejemplo). Comentarios sexistas y fuera de lugar son habituales, lo he visto en decenas de jóvenes investigadoras brillantes, donde los comentarios versan sobre la ropa, el aspecto físico, o el rostro. Yo hoy he querido traer a esta mujer aquí porque su trabajo merece ser recordado. Y ella es una mujer con un brillantísimo futuro.

Vaya desde aquí un aplauso enorme a su trabajo y a su gran capacidad de explicar, para no iniciados, cómo se desarrolló el algoritmo. Simplemente brillante.

Autor: Fenrir

Amateur writer, I like aviation, movies, beer, and a good talk about anything that concerns the human being.

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