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4 Misterios urgentes que la física debe resolver

Hoy en día, hay al menos cuatro misterios apremiantes que la física aún debe resolver. Los humanos siempre han querido volar, pero siempre ha parecido imposible. Los antiguos griegos contaban el mito de Dédalo y su hijo Ícaro, que se construyeron unas alas de plumas y cera y salieron volando de la torre en la que estaban encerrados. Pero ese era solo un mito. Alrededor del año 1500 d. C., Leonardo da Vinci construyó varios artilugios de madera con los que esperaba que los humanos pudieran volar. Pero no funcionaron. Obviamente, había un problema de física que debía resolverse.

No fue hasta que el matemático holandés Daniel Bernoulli, unos doscientos años después de Leonardo, resolvió el problema de cómo debía funcionar un ala: el Principio de Bernoulli de la diferencia de presión del aire entre la parte superior curva del ala y la inferior recta de la misma. Así pues, el ser humano poseía por primera vez el conocimiento de CÓMO volar. Pero aún tuvieron que pasar casi otros doscientos años después de Bernoulli para que los hermanos Wright construyeran realmente el primer avión motorizado en 1903. Antes de que podamos viajar a las estrellas, tenemos que resolver algunos problemas físicos alucinantes.

Tal y como están las cosas ahora, ciertamente no podemos lograr un viaje interestelar yendo en cohetes propulsados por combustión química. Hay dos razones por las que es tan descabellado intentar volar a las estrellas en cohetes como intentar cruzar a nado el océano Pacífico. En primer lugar, las estrellas están demasiado lejos, y en segundo lugar, nuestros cohetes son muy lentos. ¡Incluso la velocidad de la luz lo es! La luz tarda unos 4 años en llegar a la estrella más cercana al Sol. Un cohete moderno tardaría decenas de MILES de años en llegar a Alfa y/o Beta Centauri. ¡Olvídalo! Obviamente, la ciencia tiene varios problemas de física difíciles de resolver antes de que podamos viajar a las estrellas. ¡Pero se puede hacer!

En primer lugar, hay que resolver el misterio del propio espacio. La pregunta “¿Qué es el espacio?” es actualmente el mayor misterio de la física. Parece una pregunta muy básica, ¡pero incluso las preguntas más sencillas son muy importantes! Como, por ejemplo, “¿qué hay para cenar?” (Uf, pastel de carne otra vez no...) En los últimos cien años se han hecho algunos progresos para averiguar qué es realmente el espacio. Albert Einstein nos demostró, con su teoría de la relatividad especial en 1905, que el espacio no es solo “espacio”, también es tiempo. Einstein demostró que el espacio y el tiempo son UNA COSA. Tú estás AQUÍ-AHORA, y yo estoy AQUÍ-AHORA en un espacio-tiempo “relativamente” diferente.

Fue el matemático lituano-alemán, Hermann Minkowski, profesor de matemáticas de Einstein en Zúrich, Suiza, quien acuñó el famoso término: “el continuo espacio-tiempo”. Así que, ahora, ya no tenemos solo el espacio. ¡Este se acabó! Lo que tenemos ahora es “espacio-tiempo”, los dos están unidos en un “continuo”. El espacio y el tiempo son ahora una entidad de 4 dimensiones, a veces llamada “espacio de Minkowski” que puede representarse geométricamente como un “cono de luz”. Dejemos que el aquí y ahora en el centro del cono de luz sea la Vía Láctea. El PASADO es la única parte que podemos ver. Solo vemos las cosas como ERAN cuando nos enviaron la luz que podemos ver salir de ellas. Pero a medida que avanzamos hacia el FUTURO, nuestro horizonte de luz se expande y podemos ver MÁS.

¿Qué hay aquí AFUERA del cono de luz? No lo sabemos. ¡Pero podría haber muchas cosas! ¡Solo estamos empezando a poner el pie en la puerta! Pero vamos a abrirla, ¡algún día! Diez años después de publicar su teoría de la relatividad especial, Einstein publicó su teoría general de la relatividad en la que demostró que el “espacio-tiempo” se deforma en presencia de la gravedad. Esto se convirtió en el siguiente paso adelante. De repente, la gravedad como fuerza desapareció. Ahora tenemos “el campo gravitatorio” y se deforma en presencia de masa. Si el espacio-tiempo puede deformarse en presencia de masa gravitatoria... ¿puede el espacio-tiempo “romperse”? Y si puede hacerlo, ¿qué hay al otro lado? Con estas preguntas, los agujeros negros se convirtieron de repente en el segundo problema alucinante que debía resolver la física.

El estudio de los “agujeros negros”, término acuñado por John Wheeler en 1967, antiguo colaborador de Einstein en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton, Nueva Jersey, se convirtió en una preocupación para los físicos modernos porque estos parecen romper el espacio-tiempo y abrir una quinta dimensión... y si hay 5 dimensiones... ¡podría haber más! Los agujeros negros se encuentran en la naturaleza en los centros galácticos, donde el gas y la luz en órbita son acelerados por la gravedad a velocidades superiores a la de la luz. Dado que nada puede viajar más allá de la velocidad de la luz en ESTE universo, ¿podrían los agujeros negros conducir a OTROS universos? Afortunadamente, no tenemos que ir al centro de la Vía Láctea para estudiar los agujeros negros. Podemos fabricarlos en un laboratorio aquí mismo, en la Tierra.

¡Y qué laboratorio es! El Gran Colisionador de Hadrones (GCH), situado en Europa, es un laboratorio subterráneo de 26,9 km de largo diseñado para explorar el espacio-tiempo subatómico y las partículas que lo habitan. El GCH es la máquina más grande jamás construida. ¿Qué hace esta? Rompe cosas, como protones y otras partículas que pueden ser aceleradas por los kilómetros de electroimanes subterráneos. Después de acelerarlas poderosamente hasta casi la velocidad de la luz, estas partículas chocan con núcleos atómicos pesados, como el oro, por ejemplo. Los núcleos bombardeados se rompen entonces en una multiplicidad de partículas fundamentales más pequeñas que los protones y neutrones están hechos de cuarks de todo tipo, “colores” y “sabores”. (¡Y no, no hay con sabor a chocolate!)

La física cuántica es el estudio de la materia y la energía en estos niveles más fundamentales. Ahora, con la actualización del Gran Colisionador de Hadrones, que lo hará aún más potente, se podrá observar la formación de agujeros negros durante estas colisiones a nivel cuántico. Estos agujeros negros serán minúsculos, diminutos, de tamaño cuántico. Se espera que solo existan durante una fracción de segundo antes de disiparse. Los científicos del CERN, en Suiza, aseguran que los agujeros negros que hagan no caerán por el suelo y se dirigirán al centro de la Tierra y empezarán a tragarse el planeta. Y es muy bueno saberlo.

La mejora del Gran Colisionador de Hadrones se completará entre 2025-2027. Es parte de nuestra necesidad de averiguar qué es el espacio-tiempo, o de lo contrario podríamos quedarnos atrapados en este pequeño planeta Tierra, sin poder explorar nunca el universo. El tiempo también forma parte del misterio del espacio. Después de todo, se llama “espacio-tiempo”. El misterio del tiempo ha sido difícil de descifrar. Sin embargo, emocionantes progresos se han hecho, y se hacen. Se cuenta que una vez Albert Einstein dio una conferencia sobre la velocidad de la luz. En su famosa fórmula E=mc2 la letra “c” significa “constante”, porque la velocidad de la luz es una constante universal del espacio. Un estudiante levantó la mano y preguntó a Einstein: “¿Pero la luz no va más lenta a través de un vaso de agua?”. Al instante, Einstein se dio cuenta de que siempre había centrado su atención en lo RÁPIDO que va la luz, y nunca había considerado seriamente lo LENTO que puede ir la misma.

Junto con su colega, el matemático Satyendra Bose, calcularon a principios de la década de 1920 la densidad de un material translúcido para detener la luz. El material se conoció como el condensado de Bose-Einstein. Pero nadie creía que pudiera crearse en un laboratorio... ¡hasta que se hizo en la década de 1990! La doctora Lene Vestegaard-Hau, de la Universidad de Harvard, creó un condensado de Bose-Einstein enfriando átomos de gas de sodio hasta una milmillonésima parte de un grado por encima del cero absoluto. Eso es lo más frío que se puede conseguir. (A esta temperatura, los átomos de la nube de sodio se unen y comienzan a actuar como un gran átomo. El espacio-tiempo en un condensado de Bose-Einstein adquiere una forma completamente nueva que nadie ha visto antes.

Por fin, mediante el uso de tecnología de tamaño cuántico, la ciencia se hacía con la estructura fundamental del espacio-tiempo. Dentro del condensado, la luz se detuvo. ¡El tiempo se detuvo! Y los átomos físicos pudieron ser teletransportados instantáneamente a otros lugares. Todos estos avances están solo en la etapa de desarrollo de laboratorio. Lo que nos lleva al siguiente problema que la física debe resolver para sacar estos avances teóricos y técnicos del laboratorio y llevarlos al mundo real de nuestra vida social y política. Ese problema es la energía.

En la actualidad, la civilización no tiene una fuente de energía lo suficientemente potente, segura o conveniente para realizar la construcción, fabricación y distribución de la tecnología cuántica avanzada necesaria para hacer todas las cosas asombrosas que ahora vemos que son totalmente posibles, incluyendo los viajes interestelares. Pero la naturaleza tiene la energía que necesitamos. ¡Las estrellas! La fuerza que une el núcleo de los átomos se llama fuerza fuerte. Es la fuente de energía del universo. Las estrellas la liberan cuando, por su inmensa gravedad interna, implosionan los átomos de hidrógeno. Esto se llama fusión nuclear. La civilización moderna no tiene un reactor de fusión nuclear que pueda hacer eso, todavía. Nosotros, por supuesto, tenemos la bomba H que libera la fuerza fuerte a partir de la implosión de los núcleos atómicos... pero esta no es una fuente de energía particularmente conveniente para usar, ¿verdad?

Los países desarrollados tienen muchos reactores nucleares que producen electricidad a partir de la fuerza fuerte rompiendo el núcleo de los grandes átomos inestables de Plutonio radiactivo. Se trata de reactores de FISIÓN atómica, y han demostrado ser, bueno, INSEGUROS. Los reactores de fisión nuclear deben dejar de funcionar lo antes posible. La carrera por construir un reactor de fusión nuclear que funcione se enfrenta a muchos obstáculos técnicos y económicos. El reactor ITER, que se está construyendo actualmente en el sur de Francia, es un proyecto internacional que utiliza el diseño ruso “Tokamak” de un plasma de deuterio gigante con forma de dona. Un consorcio de 35 países participa en el proyecto ITER, ¡y ya llevan 35 años trabajando en él!

También se están construyendo otros 30 proyectos de reactores de fusión, con distintos diseños, en varios países, sin que ninguno de ellos haya logrado aún una reacción sostenida ni una producción neta de energía. ¿Cuánto tiempo puede aguantar el mundo esperando la ene30rgía de fusión? Eso es lo que yo llamo una pregunta “ardiente”.

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