Algunos de los misterios mas grandes de la Física.

misterios de la Física

Misterios sin resolver más grandes en Física

misterios de la Física

Agujero negro

Introducción

En 1900, se dice que el físico británico Lord Kelvin pronunció: “Ahora no hay nada nuevo que descubrir en la Física. Lo único que queda es una medición cada vez más precisa”. En tres décadas, la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad de Einstein habían revolucionado el campo. Hoy en día, ningún físico se atreverá a afirmar que nuestro conocimiento físico del universo está a punto de completarse. Por el contrario, cada nuevo descubrimiento parece desbloquear una caja de Pandora de preguntas de Física aún más grandes, incluso más profundas. Estas son nuestras elecciones para las preguntas abiertas más profundas de todas.

En el interior aprenderás sobre universos paralelos, por qué el tiempo parece moverse en una sola dirección y por qué no entendemos el caos.

Nota del editor: esta lista se publicó originalmente en 2012. Se actualizó el 27 de febrero de 2017 para incluir información más reciente y estudios recientes.

¿Qué es la energía oscura?

No importa cómo los astrofísicos reduzcan los números, el universo simplemente no suma. A pesar de que la gravedad está tirando hacia adentro en el espacio-tiempo, la “tela” del cosmos, se expande cada vez más rápido. Para explicar esto, los astrofísicos han propuesto un agente invisible que contrarresta la gravedad al separar el espacio-tiempo. Lo llaman energía oscura. En el modelo de energía oscura más ampliamente aceptado, se trata de una “constante cosmológica”: una propiedad inherente del espacio mismo, que tiene una “presión negativa” que separa el espacio de conducción. A medida que el espacio se expande, se crea más espacio, y con él, más energía oscura. Con base en la tasa de expansión observada, los científicos saben que la suma de toda la energía oscura debe representar más del 70 por ciento del contenido total del universo. Pero nadie sabe cómo buscarlo. Los mejores investigadores que han podido hacer en los últimos años son limitados en lo que respecta a dónde podría esconderse la energía oscura, que fue el tema de un estudio publicado en agosto de 2015.

¿Qué es la materia oscura?

Evidentemente, alrededor del 84 por ciento de la materia en el universo no absorbe ni emite luz. La “materia oscura”, como se le llama, no se puede ver directamente, y aún no se ha detectado por medios indirectos. En cambio, la existencia y las propiedades de la materia oscura se deducen de sus efectos gravitacionales sobre la materia visible, la radiación y la estructura del universo. Se cree que esta sustancia oscura impregna las afueras de las galaxias y puede estar compuesta de “partículas masivas de interacción débil” o WIMP. En todo el mundo, hay varios detectores en busca de WIMP, pero hasta ahora, no se ha encontrado ninguno. Un estudio reciente sugiere que la materia oscura podría formar corrientes largas y finas en todo el universo, y que dichas corrientes podrían irradiarse desde la Tierra como pelos.

¿Por qué hay una flecha del tiempo?

El tiempo avanza porque una propiedad del universo llamada “entropía”, definida aproximadamente como el nivel de desorden, solo aumenta, por lo que no hay forma de revertir un aumento en la entropía después de que ha ocurrido. El hecho de que la entropía aumenta es una cuestión de lógica: hay más arreglos desordenados de partículas que arreglos ordenados y, a medida que las cosas cambian, tienden a caer en desorden. Pero la pregunta subyacente aquí es, ¿por qué la entropía era tan baja en el pasado? Dicho de otra manera, ¿por qué el universo estaba tan ordenado desde el principio, cuando una gran cantidad de energía estaba atestada en una pequeña cantidad de espacio?

¿Hay universos paralelos?

Los datos astrofísicos sugieren que el espacio-tiempo podría ser “plano”, en lugar de curvado, y así continuaría para siempre. Si es así, entonces la región que podemos ver (que consideramos como “el universo”) es solo un parche en un “multiverso acolchado” infinitamente grande. Al mismo tiempo, las leyes de la mecánica cuántica dictan que solo hay un número finito de posibles configuraciones de partículas dentro de cada parche cósmico (10 ^ 10 ^ 122 posibilidades distintas). Entonces, con un número infinito de parches cósmicos, los arreglos de partículas dentro de ellos se ven obligados a repetirse infinitamente muchas veces. Esto significa que hay infinitos universos paralelos: parches cósmicos exactamente iguales a los nuestros (que contienen a alguien exactamente como usted), así como parches que difieren solo en la posición de una partícula, parches que difieren en la posición de dos partículas, y así sucesivamente hasta parches que son totalmente diferentes a los nuestros

¿Por qué hay más materia que antimateria?

La cuestión de por qué hay tanta más materia que su gemela y antimateria opuestamente cargada y en rotación opuesta, es en realidad una pregunta de por qué algo existe en absoluto. Se supone que el universo trataría la materia y la antimateria simétricamente, y que, en el momento del Big Bang, se deberían haber producido cantidades iguales de materia y antimateria. Pero si eso hubiera sucedido, habría habido una aniquilación total de ambos: los protones se habrían cancelado con antiprotones, electrones con anti-electrones (positrones), neutrones con antineutrones, y así sucesivamente, dejando atrás un mar opaco de fotones en un extensión. Por alguna razón, hubo un exceso de materia que no se aniquiló, y aquí estamos. Para esto, no hay una explicación aceptada. La prueba más detallada hasta la fecha de las diferencias entre materia y antimateria, anunciada en agosto de 2015, confirma que son imágenes especulares entre sí, proporcionando exactamente cero nuevos caminos para comprender el misterio de por qué la materia es mucho más común.

¿Cuál es el destino del universo?

El destino del universo depende fuertemente de un factor de valor desconocido: Ω, una medida de la densidad de materia y energía en todo el cosmos. Si Ω es mayor que 1, entonces el espacio-tiempo se “cerraría” como la superficie de una esfera enorme. Si no hay energía oscura, tal universo eventualmente dejará de expandirse y en su lugar comenzará a contraerse, eventualmente colapsando sobre sí mismo en un evento llamado “Big Crunch”. Si el universo está cerrado pero hay energía oscura, el universo esférico se expandirá para siempre.

Alternativamente, si Ω es menor que 1, entonces la geometría del espacio sería “abierta” como la superficie de un sillín. En este caso, su destino final es el “Big Freeze” seguido del “Big Rip”: primero, la aceleración externa del universo desgarraría las galaxias y las estrellas, dejando a toda la materia fría y sola. Luego, la aceleración crecería tanto que abrumaría los efectos de las fuerzas que mantienen unidos a los átomos, y todo se rompería.

Si Ω = 1, el universo sería plano, extendiéndose como un plano infinito en todas las direcciones. Si no hay energía oscura, un universo tan plano se expandiría para siempre, pero a una tasa de desaceleración continua, acercándose a un punto muerto. Si hay energía oscura, el universo plano finalmente experimentará una expansión fugitiva que conducirá al Big Rip. Independientemente de cómo se desarrolle, el universo está muriendo, un hecho discutido en detalle por el astrofísico Paul Sutter.

¿Cómo se colapsan las mediciones de las funciones de onda cuánticas?

En el extraño reino de los electrones, los fotones y las otras partículas fundamentales, la mecánica cuántica es la ley. Las partículas no se comportan como pequeñas bolas, sino más bien como ondas que se extienden sobre un área grande. Cada partícula se describe mediante una “función de onda” o distribución de probabilidad, que indica cuál es su ubicación, velocidad y otras propiedades, pero no cuáles son esas propiedades. La partícula en realidad tiene un rango de valores para todas las propiedades, hasta que mida experimentalmente una de ellas -su ubicación, por ejemplo- en cuyo punto la función de onda de la partícula se “colapsa” y adopta una sola ubicación.

Pero ¿cómo y por qué la medición de una partícula hace que su función de onda colapse, produciendo la realidad concreta que percibimos que existe? El problema, conocido como problema de medición, puede parecer esotérico, pero nuestra comprensión de lo que es la realidad, o si existe, depende de la respuesta.

¿Es correcta la teoría de cuerdas?

Cuando los físicos suponen que todas las partículas elementales son en realidad bucles unidimensionales, o “cuerdas”, cada una de las cuales vibra a una frecuencia diferente, la física se vuelve mucho más fácil. La teoría de cuerdas permite a los físicos conciliar las leyes que rigen las partículas, llamadas mecánicas cuánticas, con las leyes que rigen el espacio-tiempo, llamadas relatividad general, y unificar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza en un marco único. Pero el problema es que la teoría de cuerdas solo puede funcionar en un universo con 10 u 11 dimensiones: tres grandes espaciales, seis o siete compactas espaciales y una dimensión temporal. Las dimensiones espaciales compactadas -así como las propias cuerdas vibratorias- son aproximadamente una billonésima de una billonésima parte del tamaño de un núcleo atómico. No hay forma concebible de detectar algo tan pequeño, por lo que no hay forma conocida de validar o invalidar experimentalmente la teoría de cuerdas.

¿Hay orden en el caos?

Los físicos no pueden resolver exactamente el conjunto de ecuaciones que describe el comportamiento de los fluidos, desde el agua hasta el aire y todos los demás líquidos y gases. De hecho, no se sabe si existe una solución general de las llamadas ecuaciones de Navier-Stokes, o, si hay una solución, si describe fluidos en todas partes, o contiene puntos inherentemente incognoscibles llamados singularidades. Como consecuencia, la naturaleza del caos no se entiende bien. Los físicos y matemáticos se preguntan: ¿es el clima simplemente difícil de predecir, o inherentemente impredecible? ¿La turbulencia trasciende la descripción matemática, o todo tiene sentido cuando la abordas con las matemáticas correctas?

¿Las fuerzas del universo se funden en una sola?

El universo experimenta cuatro fuerzas fundamentales: el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte, la interacción débil (también conocida como la fuerza nuclear débil) y la gravedad. Hasta la fecha, los físicos saben que si sube la energía lo suficiente, por ejemplo, dentro de un acelerador de partículas, tres de esas fuerzas se “unifican” y se convierten en una sola fuerza. Los físicos han ejecutado aceleradores de partículas y unificado la fuerza electromagnética y las interacciones débiles, y en energías más altas, lo mismo debería ocurrir con la fuerza nuclear fuerte y, finalmente, la gravedad.

Pero a pesar de que las teorías dicen que debería suceder, la naturaleza no siempre lo hace. Hasta ahora, ningún acelerador de partículas ha alcanzado energías lo suficientemente altas como para unificar la fuerza fuerte con el electromagnetismo y la interacción débil. Incluir la gravedad significaría aún más energía. No está claro si los científicos podrían incluso construir uno tan poderoso; el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), cerca de Ginebra, puede enviar partículas chocando entre sí con energías en los trillones de electronvoltios (alrededor de 14 tera-electrón voltios, o TeV). Para alcanzar las grandes energías de unificación, las partículas necesitarían al menos un billón de veces más, por lo que los físicos deben buscar pruebas indirectas de tales teorías.

Además del tema de las energías, las Grandes Teorías Unificadas (GUT, por sus siglas en inglés) todavía tienen algunos problemas porque predicen otras observaciones que hasta ahora no se han llevado a cabo. Hay varias GUT que dicen que los protones, durante inmensos períodos de tiempo (del orden de 10 ^ 36 años), deberían convertirse en otras partículas. Esto nunca se ha observado, por lo que los protones duran mucho más de lo que nadie pensó o realmente son estables para siempre. Otra predicción de algunos tipos de GUT es la existencia de monopolos magnéticos – polos aislados “norte” y “sur” de un imán – y nadie ha visto ninguno de ellos. Es posible que no tengamos un acelerador de partículas lo suficientemente potente. O bien, los físicos podrían estar equivocados sobre cómo funciona el universo.

¿Qué sucede dentro de un agujero negro?

¿Qué le sucede a la información de un objeto si es absorbido por un agujero negro? De acuerdo con las teorías actuales, si tuvieras que dejar caer un cubo de hierro en un agujero negro, no habría forma de recuperar esa información. Eso es porque la gravedad de un agujero negro es tan fuerte que su velocidad de escape es más rápida que la luz, y la luz es lo más rápido que hay. Sin embargo, una rama de la ciencia llamada mecánica cuántica dice que la información cuántica no se puede destruir. “Si aniquilas esta información de alguna manera, algo se descontrola”, dijo Robert McNees, profesor asociado de física en la Universidad Loyola de Chicago.

La información cuántica es un poco diferente de la información que almacenamos como 1s y 0s en una computadora, o las cosas en nuestros cerebros. Esto se debe a que las teorías cuánticas no proporcionan información exacta sobre, por ejemplo, dónde estará un objeto, como calcular la trayectoria de una pelota de béisbol en mecánica. En cambio, tales teorías revelan la ubicación más probable o el resultado más probable de alguna acción. Como consecuencia, todas las probabilidades de varios eventos deberían sumar hasta 1 o 100 por ciento. (Por ejemplo, cuando lanza un dado de seis caras, las posibilidades de que surja una cara determinada es de una sexta parte, por lo que las probabilidades de todas las caras suman 1, y no puede estar más que seguro al 100 por ciento que sucederá.) La teoría cuántica es, por lo tanto, llamada unitaria. Si sabe cómo termina un sistema, puede calcular cómo comenzó.

Para describir un agujero negro, todo lo que necesitas es masa, momento angular (si está girando) y carga. Nada sale de un agujero negro, excepto un lento chorro de radiación térmica llamado radiación Hawking. Por lo que se sabe, no hay forma de hacer ese cálculo reverso para descubrir qué se tragó realmente el agujero negro. La información es destruida Sin embargo, la teoría cuántica dice que la información no puede estar completamente fuera de su alcance. Ahí está la “paradoja de la información”.

McNees dijo que ha habido mucho trabajo sobre el tema, especialmente Stephen Hawking y Stephen Perry, quienes sugirieron en 2015 que, en lugar de estar almacenado en las garras profundas de un agujero negro, la información permanece en su límite, llamado evento horizonte. Muchos otros han intentado resolver la paradoja. Hasta ahora, los físicos no pueden ponerse de acuerdo sobre la explicación, y es probable que estén en desacuerdo por algún tiempo.

¿Existen las singularidades desnudas?

Una singularidad ocurre cuando alguna propiedad de una “cosa” es infinita, y entonces las leyes de la física tal como las conocemos se rompen. En el centro de los agujeros negros se encuentra un punto que es infinitamente denso y denso (lleno de una cantidad finita de materia), un punto llamado singularidad. En matemáticas, las singularidades aparecen todo el tiempo: dividir por cero es una instancia, y una línea vertical en un plano de coordenadas tiene una pendiente “infinita”. De hecho, la pendiente de una línea vertical no está definida. Pero, ¿cómo se vería una singularidad? ¿Y cómo interactuaría con el resto del universo? ¿Qué significa decir que algo no tiene superficie real y es infinitamente pequeño?

Una singularidad “desnuda” es aquella que puede interactuar con el resto del universo. Los agujeros negros tienen horizontes de eventos: regiones esféricas de las que nada, ni siquiera la luz, pueden escapar. A primera vista, podría pensar que el problema de las singularidades desnudas se resuelve en parte para los agujeros negros al menos, ya que nada puede salir del horizonte de sucesos y la singularidad no puede afectar al resto del universo. (Está “vestido”, por así decirlo, mientras que una singularidad desnuda es un agujero negro sin un horizonte de sucesos).

Pero si las singularidades pueden formarse sin un horizonte de eventos aún es una pregunta abierta. Y si pueden existir, entonces la teoría de la relatividad general de Albert Einstein necesitará una revisión, porque se rompe cuando los sistemas están demasiado cerca de una singularidad. Las singularidades desnudas también podrían funcionar como agujeros de gusano, que también serían máquinas del tiempo, aunque no hay evidencia de esto en la naturaleza.

Violar la simetría de paridad de carga

Si intercambias una partícula con su hermano antimateria, las leyes de la física deberían seguir siendo las mismas. Entonces, por ejemplo, el protón con carga positiva debería tener el mismo aspecto que un antiprotón con carga negativa. Ese es el principio de la simetría de carga. Si cambias a izquierda y derecha, de nuevo, las leyes de la física deberían tener el mismo aspecto. Esa es la simetría de paridad. Juntos, los dos se llaman simetría CP. La mayoría de las veces, esta regla de física no se viola. Sin embargo, ciertas partículas exóticas violan esta simetría. McNees dijo que es por eso que es extraño. “No debería haber ninguna violación de CP en la mecánica cuántica”, dijo. “No sabemos por qué es eso”.

Cuando las ondas sonoras hacen la luz

Aunque las preguntas de física de partículas explican muchos problemas no resueltos, se pueden observar algunos misterios en una configuración de laboratorio de sobremesa. Sonoluminiscencia es uno de esos. Si tomas un poco de agua y la golpeas con ondas de sonido, se formarán burbujas. Esas burbujas son regiones de baja presión rodeadas de alta presión; la presión externa empuja hacia el aire a menor presión y las burbujas se colapsan rápidamente. Cuando esas burbujas se colapsan, emiten luz, en destellos que duran una billonésima de segundo.
El problema es que no está claro cuál es la fuente de la luz. Las teorías varían desde pequeñas reacciones de fusión nuclear hasta algún tipo de descarga eléctrica, o incluso calentamiento por compresión de los gases dentro de las burbujas. Los físicos han medido las altas temperaturas dentro de estas burbujas, del orden de decenas de miles de grados Fahrenheit, y han tomado numerosas fotos de la luz que producen. Pero no hay una buena explicación de cómo las ondas de sonido crean estas luces en una burbuja.

¿Qué hay más allá del modelo estándar?

El Modelo Estándar es una de las teorías físicas más exitosas que se haya ideado. Ha estado haciendo experimentos para probarlo durante cuatro décadas, y nuevos experimentos siguen demostrando que es correcto. El Modelo Estándar describe el comportamiento de las partículas que componen todo lo que nos rodea, y explica por qué, por ejemplo, las partículas tienen masa. De hecho, el descubrimiento del bosón de Higgs, una partícula que da masa a la materia, en 2012 fue un hito histórico porque confirmó la predicción de larga data de su existencia.

Pero el Modelo Estándar no explica todo. El Modelo Estándar ha hecho muchas predicciones exitosas, por ejemplo, el bosón de Higgs, el bosón W y Z (que median las interacciones débiles que gobiernan la radioactividad) y los quarks entre ellos, por lo que es difícil ver dónde la física podría ir más allá. Dicho esto, la mayoría de los físicos están de acuerdo en que el Modelo Estándar no está completo. Hay muchos contendientes para modelos nuevos y más completos, la teoría de cuerdas es uno de esos modelos, pero hasta ahora, ninguno de estos ha sido verificado de manera concluyente por experimentos.

Constantes fundamentales

Las constantes sin dimensiones son números que no tienen unidades unidas a ellos. La velocidad de la luz, por ejemplo, es una constante fundamental medida en unidades de metros por segundo (o 186,282 millas por segundo). A diferencia de la velocidad de la luz, las constantes adimensionales no tienen unidades y pueden medirse, pero no pueden derivarse de teorías, mientras que las constantes como la velocidad de la luz pueden serlo.

En su libro “Just Six Numbers: The Deep Forces that Shape the Universe” (Basic Books, 2001), el astrónomo Martin Rees se centra en ciertas “constantes adimensionales” que considera fundamentales para la física. De hecho, hay muchos más de seis; aproximadamente 25 existen en el Modelo Estándar.

Por ejemplo, la constante de estructura fina, generalmente escrita como alfa, rige la fuerza de las interacciones magnéticas. Se trata de 0.007297. Lo que hace que este número sea extraño es que si fuera diferente, la materia estable no existiría. Otra es la relación de las masas de muchas partículas fundamentales, como los electrones y los quarks, con la masa de Planck (que es 1.22 ‘1019 GeV / c2). A los físicos les encantaría descubrir por qué esos números en particular tienen los valores que tienen, porque si fueran muy diferentes, las leyes físicas del universo no permitirían que los humanos estén aquí. Y, sin embargo, todavía no hay una explicación teórica convincente de por qué tienen esos valores.

¿Qué diablos es la gravedad, de todos modos?

¿Qué es la gravedad, de todos modos? Otras fuerzas están mediadas por partículas. El electromagnetismo, por ejemplo, es el intercambio de fotones. La fuerza nuclear débil es transportada por los bosones W y Z, y los gluones llevan la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidos a los núcleos atómicos. McNees dijo que todas las otras fuerzas se pueden cuantificar, lo que significa que podrían expresarse como partículas individuales y tener valores no continuos.

La gravedad no parece ser así. La mayoría de las teoría de la  Física dicen que debería ser portada por una partícula hipotética sin masa llamada gravitón. El problema es que nadie ha encontrado gravitones todavía, y no está claro que cualquier detector de partículas que pueda construirse pueda verlos, porque si los gravitones interactúan con la materia, lo hacen muy, muy raramente, tan rara vez que serían invisibles contra ellos. el ruido de fondo. Ni siquiera está claro que los gravitones carezcan de masa, aunque si tienen una masa, es muy, muy pequeña, más pequeña que la de los neutrinos, que se encuentran entre las partículas más ligeras conocidas. La teoría de cuerdas postula que los gravitones (y otras partículas) son circuitos cerrados de energía, pero el trabajo matemático no ha aportado mucha información hasta el momento.

Debido a que aún no se han observado los gravitones, la gravedad ha resistido los intentos de comprenderlo en la forma en que entendemos otras fuerzas, como un intercambio de partículas. Algunos físicos, notablemente Theodor Kaluza y Oskar Klein, postularon que la gravedad puede estar operando como una partícula en dimensiones extra más allá de los tres espacios (longitud, ancho y altura) y una de tiempo (duración) con la que estamos familiarizados, pero ya sea es cierto aún es desconocido.

¿Vivimos en un vacío falso?

El universo parece relativamente estable. Después de todo, ha existido por alrededor de 13.8 mil millones de años. Pero, ¿y si todo fue un accidente masivo?

Todo comienza con el Higgs y el vacío del universo. El vacío, o espacio vacío, debería ser el estado de energía más bajo posible, porque no hay nada en él. Mientras tanto, el bosón de Higgs, a través del llamado campo de Higgs, le da a todo su masa. Escribiendo en la revista Física, Alexander Kusenko, profesor de física y astronomía en la Universidad de California en Los Ángeles, dijo que el estado de energía del vacío se puede calcular a partir de la energía potencial del campo de Higgs y las masas del Higgs y la parte superior quark (una partícula fundamental).

Hasta ahora, esos cálculos parecen mostrar que el vacío del universo podría no estar en el estado de energía más bajo posible. Eso significaría que es un falso vacío. Si eso es cierto, nuestro universo podría no ser estable, porque un falso vacío puede ser golpeado en un estado de energía inferior por un evento suficientemente violento y de alta energía. Si eso sucediera, habría un fenómeno llamado nucleación de burbujas. Una esfera de vacío de menor energía comenzaría a crecer a la velocidad de la luz. Nada, ni siquiera la materia misma, sobreviviría. Efectivamente, estaríamos reemplazando el universo por otro, que podría tener leyes físicas muy diferentes.

Eso suena aterrador, pero dado que el universo todavía está aquí, claramente no ha habido tal evento aún, y los astrónomos han visto explosiones de rayos gamma, supernovas y cuásares, todos los cuales son bastante enérgicos. Por lo tanto, es poco probable que no tengamos que preocuparnos. Dicho esto, la idea de un vacío falso significa que nuestro universo podría haber surgido de la existencia de esa manera, cuando el falso vacío de un universo anterior fue golpeado en un estado de energía inferior. Tal vez fuimos el resultado de un accidente con un acelerador de partículas.

Fuente: Haz click aquí.

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