Cuántica: la física de las posibilidades

En su intento por explicar la materia y las fuerzas fundamentales del universo, la física, se topa con un inconveniente. Las teorías y modelos que explican el comportamiento de las partículas subatómicas, no se pueden unir, (de forma matemática, claro) con las teorías que explican la materia y el universo a escala grande, como lo hace la física clásica con las exactas y deterministas leyes de Newton: la gravedad, el movimiento, etc., o la física relativista de Einstein que explica el universo a grandísima escala con la teoría general de la relatividad. Ya aquí no son manzanas que caen de un árbol ni tampoco la fórmula del movimiento uniformemente acelerado de una bola, como en el mundo clásico, sino más bien estrellas, planetas, galaxias, agujeros negros, velocidades cercanas a la de la luz, etc.

La física cuántica estudia el comportamiento de la materia a escalas ínfimas. Se trata del mundo invisible y subyacente de las partículas elementales.

La física cuántica explica que la energía no se intercambia de forma continua, sino que en todo intercambio energético hay una cantidad mínima involucrada, es decir un cuanto (cuantización de la energía). De aquí deriva el nombre "cuántico".

Al ser imposible fijar a la vez la posición y el momento de una partícula, a nivel cuántico no se habla de trayectoria, concepto fundamental en mecánica clásica. En vez de eso, el movimiento de una partícula queda regido por una función matemática que asigna, a cada punto del espacio y a cada instante, la probabilidad de que la partícula descrita se halle en tal posición en ese instante.

A partir de esa función, o función de ondas, se extraen teóricamente todas las magnitudes del movimiento necesarias.
Es decir, la mecánica cuántica es una física probabilística y no determinista como lo es la física clásica. La mecánica cuántica es una física de las probabilidades. No puede saber con presición que es lo que hará esa partícula después (o antes), y si averiguamos su posición no podemos conocer su momento en el tiempo. Este principio de indeterminismo lo describió Werner Heisenberg y se conoce como "relación de indeterminación"

Algunos observables posibles sobre un sistema físico dado son la energía, posición, momento y momento angular.

A nivel cuántico no pueden asignarse valores definidos a estos observables, sino que se hacen predicciones sobre sus distribuciones de probabilidad.

Las propiedades ondulatorias de la materia son explicadas por la interferencia de las funciones de onda.
Estas funciones de onda pueden variar con el transcurso del tiempo.

Esta evolución es determinista si sobre el sistema no se realiza ninguna medida. Pero se produce el colapso de la función de onda cuando se realiza una medida sobre el sistema. El observador afecta el sistema observado. La onda de múltiples posibilidades colapsa, se vuelve una de todas esas posibilidades, se concreta en una partícula de experiencia. Sin observador no hay experiencia.
Resumiendo, a nivel cuántico, la materia puede comportarse como una onda o como una partícula.

Este fenómeno se conoce como dualidad onda-partícula. Y esta es una la de las principales características de la materia a nivel cuántico.
Otras de las características de este nivel microscópico es el llamado entrelazamiento cuántico.
Las propiedades físicas de objetos con un origen común, pueden ser correlacionadas en una amplitud tal que solo pueden ser descritos con precisión si nos referimos a ambos a la vez. Es decir, los objetos entrelazados comparten la información instantáneamente, aunque estén separados por distancias siderales. Lo que le ocurre a uno afecta al otro.

Si consideramos que el universo se inicio por la expansión de un pequeño punto, es lógico pensar que todos los objetos creados a partir de este punto, estén entrelazados, ya que comparten un origen común. También un ser humano es un ejemplo de este modelo universal. Comienza por una célula indiferenciada de la que derivan todas las demás. Esto hace obvio el hecho que nuestras células estén todas conectadas entre sí y a su vez con todo el universo, ya que somos creaciones de ese mismo universo.

La ciencia trata de estudiar y poder explotar el entrelazamiento para el procesamiento de la información y la construcción de nueva tecnología, pero se han dado cuenta de que es muy frágil y que se pierde con facilidad en el mundo macroscópico. Y esta fragilidad pone un límite muy claro a la aplicación práctica del entrelazamiento.

Otra de las características propias de este nivel es la superposición cuántica.

En el mundo cuántico los objetos se encuentran simultáneamente en varios lugares a la vez. Para describir estos objetos, la física recurre a la superposición de estados cuánticos: es una manera de decir que las partículas elementales existen en varios estados superpuestos al mismo tiempo.

El problema surge a la hora de explicar el proceso que reduce esos estados superpuestos al estado concreto que nuestros sentidos perciben en el universo cotidiano. Es evidente que en el nivel macrofísico los objetos se nos presentan en un estado concreto y no superpuesto. De hecho, en el mundo clásico y concreto de la "realidad" conocida, dos objetos no pueden ocupar el mismo espacio.

En 1935, Edward Schrödinger ideó un experimento imaginario para explicar la superposición cuántica y fué conocido como: el gato de Schrödinger.

Pero, ¿porqué no experimentamos la superposición en nuestro mundo cotidiano?.

La respuesta está en la llamada: "decoherencia".

Esta se basa en que los sistemas físicos no están aislados sino que interactúan con otros sistemas físicos, y esta interacción es la que provoca que pierdan los estados de superposición (mientras no interactúe es un sistema coherente, es decir, se encuentra en una indefinida superposición de estados).

De un estado "puro" pasan a un estado "mezclado".

Es esta pérdida de coherencia, esta mezcla, la que permite que un sistema cuántico lo podamos describir por medio de variables clásicas.

Como se ha visto, el observador y el instrumento de medición, ya en sí generan una perturbación y la pérdida de la coherencia en el sistema físico observado.

Pero hay otro factor: el medio ambiente.

La decoherencia es la consecuencia inevitable del enredo incontrolable que tienen todos los sistemas físicos con su ambiente.

El enredo o entrelazamiento quiere decir que la realidad no puede estar localizada en el espacio y en el tiempo. Al estar inevitablemente entrelazados, los estados cuánticos son no-locales y por eso no pueden ser observados ni localizados.

Es a causa de la decoherencia que el mundo "clásico" se vuelve sólido y predecible. De esta forma podemos experimentar la realidad como lo hacemos.

Universos paralelos

En un principio, la teoría de cuerdas consideraba que en el universo existían diez dimensiones . Nueve para que puedan vibrar (espacio) y una más para el tiempo. Pero algo no estaba bien en las ecuaciones, aparecieron 5 teorías para describir la misma cosa y esto no funcionaba.

Entonces apareció la teoría M al rescate y agregó una dimensión más, ahora el universo presentaba 11 dimensiones.
Esta nueva dimensión es la que permite que las cuerdas se estiren para formar membranas.

A diferencia de las cuerdas que tienen 2 dimensiones (1 a lo largo y otra alrededor), las membranas podrían tener tres o más dimensiones y, de contar con la energía suficiente, una de ellas podría alcanzar un tamaño gigantesco, puede que tan grande como nuestro universo.
Es lo que se llama una “brana”.


Branas o universos paralelos
El concepto de “brana” es revolucionario y muy interesante ya que permite una posibilidad sorprendente: nuestro universo podría estar contenido dentro de una brana que podría colindar con otras branas en un espacio mucho mayor al que los físicos llaman “bulk”, el grueso.
Las otras branas serían, de hecho, universos paralelos.

Nuestro universo no solo sería uno entre tantos, y ya hay pruebas que sustentan esto, sino uno más de otras muchas variantes.

En otros universos las constantes y leyes de la física podrían ser muy diferentes. En unos quizá la materia no podría formarse, en otros podría estar diluida, quizás en otros haya vida...
Estos universos existirían en las dimensiones adicionales de la teoría M, unas dimensiones que nos rodean. Hay quien llega a asegurar que están a nuestro lado, a menos de un milímetro de distancia. Pero si eso es cierto, ¿por qué no las podemos ver ni tocar?

Si nuestros átomos y partículas están encerrados en nuestra brana, por más que haya una brana en otra dimensión del espacio, no podríamos tocarla precisamente porque nuestros átomos y partículas no pueden salir de nuestra brana. Si este concepto es cierto, podría ayudar a solucionar uno de los grandes misterios de la ciencia moderna: la gravedad.

Los universos paralelos y la gravedad

La gravedad es muchísimo más débil que las otras fuerzas de la naturaleza; de hecho es 10 (elevado)38, o sea, 1 seguido de 38 ceros, menos fuerte que el electromagnetismo.

Esto desconcierta y al mismo tiempo da pie para que aparezcan teorías que en un principio parecen mas una intuición o una imaginación que un hecho científico, aunque de a poco se van acercando.
En realidad, la gravedad sería igual de fuerte que las otras fuerzas fundamentales aunque por algún motivo no podemos percibirlo. Podría ser que la gravedad esté “diluida” entre todas las branas y sea la única de las cuatro fuerzas que las atraviesa a todas.
Mientras toda la fuerza del electromagnetismo queda contenida en nuestra brana, la gravedad la abandona haciendo parecer que su fuerza es menor de la que es. Así, sólo percibimos la parte de la fuerza de la gravedad correspondiente a nuestra brana.

¿Y que es lo que hace que la gravedad sea diferente de las otras fuerzas?

La respuesta estaría en la forma de las cuerdas.

Durante años, siempre se pensó en las cuerdas como bandas cerradas. Pero con la teoría M, se cree que todo lo que nos rodea, la materia y la luz, se compone de cuerdas abiertas.
Los extremos de cada una de estas cuerdas estarían sujetos a nuestra brana tridimensional.

Pero las cuerdas cerradas también existirían y una de sus variedades sería la responsable de la partícula de la gravedad: el gravitón.
Al ser un círculo cerrado, no tiene extremos fijos en nuestra brana y por lo tanto es libre de escapar a otras branas. De esta manera, su fuerza queda diluida y parece más débil que las otras tres fuerzas.
Esto sugiere una posibilidad intrigante.
Como estamos “ciegos” a las otras branas porque nuestros átomos y partículas no pueden escapar, podríamos llegar a saber algo de esas otras branas por medio de la gravedad.

Antes del big bang
No sabemos si los universos paralelos pueden influir sobre nosotros, pero el concepto de branas ha dado lugar a una idea muy polémica. Hay quienes afirman que los universos paralelos han desempeñado un papel esencial en nuestra historia, de hecho, los responsabilizan de nuestra existencia.
El concepto de las branas paralelas que se mueven en dimensiones adicionales podría cambiar el rumbo de la física y de nuestra percepción del mundo y de nosotros mismos.

Algunos científicos creen que el origen del big bang podría estar en el movimiento de estas branas paralelas, que se mueven, ondulándose como olas. En algún momento, estas podrían chocar entre sí y la enorme energía de ese choque sería la que originó el big bang y nuestro universo.

De hecho, se cree que esos choques pueden haberse dados muchas veces en el pasado y vuelvan a suceder nuevamente en el futuro.

Esta descripción brinda una solución al problema de la singularidad y responde a la pregunta fundamental: ¿que había antes del big-bang? y, ¿qué es lo que "explotó" o se expandió?

Esta teoría tiene todavía una serie de incongruencias matemáticas y por eso no es plenamente aceptada, y pese a que es revolucionaria y muy convincente, incluso hay quienes dicen que está adelantada para nuestra época, no se puede demostrar empíricamente por la cantidad de energía que se requiere para poder ver una cuerda.

Así que la ciencia busca la manera de comprobar la teoría. Una de ellas es encontrando un gravitón en un acelerador de partículas.

Sólo dos aceleradores podrían hacerlo: el Fermilab en los EUA y el Large Hadron Collider (LHC) que el CERN (http://www.cern.ch/) construyó en Suiza.

Según lo previsto por la teoría M, el gravitón escaparía a otra dimensión y el mayor logro sería obtener una imagen del gravitón en el momento de la fuga.

Otra de las máximas prioridades de ambos laboratorios, que compiten por adelantarse a los descubrimientos, es encontrar una propiedad descripta por la teoría de cuerdas que se llama “supersimetría”. Lo que predice la teoría es que todas las partículas subatómicas deben tener un equivalente mucho más pesado, una compañera que se denomina "partícula s" o "supercompañera".

Hasta ahora, nadie ha visto las partículas supersimétricas porque, al ser más pesadas que sus compañeras, requieren más energía para producir una colisión que las haga visibles. Los colisionadores disponibles no tienen la suficiente energía como para lograr esto.

Y entonces nacen otras preguntas: ¿Es posible responder de manera objetiva y "científica" a las cuestiones fundamentales concernientes a nuestros orígenes? ¿Es que es posible para el sujeto describir el objeto sin "subjetividad"?

Por un lado da la sensación que la ciencia y la física van muy "lejos" en sus avances, y por otro, la comprensión y el lenguaje matemático se vuelven cada vez más complicados y alejados de la realidad humana.

¿Y la conciencia, que papel juega en todo esto?

La ciencia, la deja de lado, ya que no es un fenómeno de laboratorio, y no puede ser reducida a logaritmos ni comprobaciones "objetivas".

El universo es también conciencia. La conciencia universal. Evoluciona y cambia. Se crea y se modela todo el tiempo a sí mismo. Crea mundos, crea vida, nos creó a nosotros...

Por eso, la búsqueda también tiene un lado de no-búsqueda, es decir, de simple contemplación, de observación, de no-acción.

Sujeto y objeto en unidad.

Podemos observar una nube, con la mente libre de conceptos. Incluso con la imaginación (buscar formas, etc). Podemos volvernos "uno" con la nube, sin escribir ni emitir siquiera un solo concepto o formulación.

Y, ¿quien tiene verdaderamente la "experiencia" de la nube, el que la observa y se vuelve "uno" con ella o el que se pasa todo el día estudiando física, meteorología, haciendo cálculos, y se vuelve especialista en nubes?.

Corremos el riesgo de parecernos al burro, tirado siempre por la zanahoria, y extraviarnos en el camino, frustrados y agotados, sin resolver lo más importante y además perdiéndonos el espectáculo.

Por eso se habla de ciencia y espiritualidad, porque está demostrado que la ciencia sola no alcanza para hacer una descripción completa y profunda del universo ni se nosotros mismos. Pero la visión "objetiva" de la ciencia nos permite ir todavía más lejos, nos hace más inteligentes y brinda un armazón teórico y concreto que evita la charlataneria.

Sujeto y objeto en unidad.

Continúa

Un universo que vibra

La teoría de cuerdas propone que el universo está fundamentalmente compuesto por objetos unidimensionales que son similares a una cuerda (string).
Estas cuerdas serían tan pequeñas que incluso en la microscópica escala de las partículas subatómicas parecerían como puntos.

En la teoría de cuerdas cada partícula es creada de alguna forma por diferentes patrones de vibración de las cuerdas.

Durante mucho tiempo los físicos han operado dentro de un mismo paradigma, sosteniendo que las partículas fundamentales, como el electrón , el neutrón o el protón, son como puntos, de 0 dimensiones. Según la teoría de cuerdas esta suposición es incorrecta.
La diferencia entre trabajar con objetos, partículas en este caso, de o dimensiones y cuerdas (de 1 dimensión) que se pueden estirar, enrrollar y además vibrar; es que estas causan problemas con la causalidad y violaciones de la ley de la relatividad especial que dice que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz, entonces los cálculos vuelan por los aires.

El desarrollo de la teoría de cuerdas surgió principalmente por un problema importante que ha existido en la física durante casi 100 años.

El inconveniente es que la relatividad general, la teoría desarrollada por Albert Einstein que explica el comportamiento de la materia en escalas muy grandes o cosmológicas, es irreconciliable, no funciona con la mecánica cuántica y el modelo estándar, que explican el universo a escala subatómica, es decir, el universo relativista y el universo cuántico no pueden ser descriptos por las mismas leyes ni ecuaciones.

También existen otros problemas con el modelo estándar: tiene unos 20 parámetros libres que deben ser ajustados a mano, y tiene un gran número de partículas que declara fundamentales (además para cada partícula existen tres copias organizadas en generaciones, que sólo se diferencian entre sí en la masa).

Ya esto en si es complicado, y por otra parte, debido a que no puede ser reconciliada con la relatividad general, carece de una descripción de la gravedad, la más corriente de las cuatro fuerzas fundamentales. Con lo cual el modelo no es completo. Aún así es el aceptado "oficialmente", ganador del premio Nobel, etc.

Usar objetos 1-dimensionales en lugar de partículas puntuales resuelve muchos de estos problemas.

El número de parámetros libres de la teoría cae de 20 a 1 (un parámetro que corresponde solo al tamaño de las cuerdas), y se espera que los detalles de la teoría expliquen por qué existen las tres familias de partículas.

Aún más importante, encontraron que la teoría de cuerdas contiene gravitones de forma necesaria, es decir, la partícula portadora de la fuerza de gravedad.

Todo esto es un poco complicado, falta todavía un lenguaje matemático que exprese correctamente lo que describe la teoría. Por eso algunos científicos se resisten todavía a aceptarla, argumentan que no es comprobable aún y por lo tanto no es verdadera ciencia.

Creo que lo más limitado del pensamiento "científico" es esa especie de vanidad de creer que pueden explicarlo todo en una hoja de papel llena de cálculos abstractos o en un acelerador de partículas, fotografiando trazas de partículas efímeras, y si no entra en su modelo, entonces no existe.

Igual, hay un montón de partículas "hipotéticas" como el bosón de Higgs, que existen matemáticamente pero no se pueden crear en los colicionadores de partículas todavía, pese a los intentos y las inversiones (ver LHC). Siga participando...

Volviéndo a las cuerdas.

Lo interesante de esta teoría es que puede unir la relatividad general con la mecánica cuántica y para eso sugiere además, que el universo se compone de múltiples dimensiones.

Nuestra percepción ordinaria del mundo es en 4 dimensiones.

Estamos familiarizados con la altura, la anchura y la longitud: las tres dimensiones del espacio. Arriba-abajo, delante-detrás y los costados y 1 dimensión más para el tiempo.

La teoría de cuerdas apoya la posibilidad de 10 dimensiones, aunque las 6 restantes no las podemos detectar directamente.

Es posible que las 6 dimensiones extra sean extremadamente pequeñas y curvadas. Por ejemplo, si se mira a un tubo desde una gran distancia, parece ser una línea (1-dimensional). Una inspección más cercana del tubo revela 2 dimensiones: una a lo largo del tubo (la que vimos desde lejos) y una alrededor del tubo. Por tanto, el tubo es realmente una superficie bidimensional a pesar del hecho que parece ser una línea desde lejos.

Estas «cuerdas» vibran en múltiples dimensiones (de ahí las 10 dimensiones), y en función de la forma en que vibran, podrían ser percibidas en el espacio de tres dimensiones como materia, luz, o gravedad.

Es la vibración de la «cuerda» la que determina su apariencia de materia o energía, y toda forma de materia o energía es el resultado de la vibración de las cuerdas.

Pero la bella teoría, no tardó en encontrarse con un problema: tras una versión inicial de ecuaciones que la sustentaba, fueron descubiertas otras ecuaciones, igualmente coherentes.

Hay cinco grandes teorías de cuerdas, todas basadas en un universo de 10 dimensiones, y todas parecen ser correctas.

Esto no estaba bién, los científicos no podían con la aparente contradicción de cinco conjuntos de ecuaciones para describir el mismo fenómeno, es demasiado, porque, ¿si una es la correcta, que universo describen las otras?, se preguntaban.

A mediados de los años 90, Edward Witten, un físico del Instituto de Estudios Avanzados y otros importantes investigadores consideran que las cinco diferentes versiones de la teoría de las cuerdas podría describir lo mismo visto desde diferentes perspectivas.

Se propuso la unificación en una teoría llamada «Teoría M», en que la «M» no está específicamente definido, pero se entiende como «membranas».

La teoría M agrupó todas las teorías de cuerdas o supercuerdas, al afirmar que las cuerdas son realmente «anillos» 1-dimensionales de una «membrana» 2-dimensional que vibra en el espacio 11-dimensional. Para que esta "membrana" pueda vibrar, necesita de 1 dimensión extra, por eso esta nueva forma de teoría de cuerdas, la teoría M, describe un universo de 11 dimensiones.

La Teoría M no está completa; sin embargo, puede aplicarse a muchas situaciones.

La teoría del electromagnetismo también se encontraba en el mismo estado a mediados del siglo XIX; había teorías separadas para el magnetismo y la electricidad y, aunque eran conocidas por estar relacionadas, la relación exacta no se clarificó hasta que James Clerk Maxwell publicó sus ecuaciones en su trabajo de 1864, Una Teoría Dinámica del Campo Electromagnético.

A medida que vayamos evolucionando y mejorando la comprensión, irá cambiando la forma de expresar y transmitir esos conocimientos, y el lenguaje matemático no escapa a este hecho.

Los nuevos descubrimientos crean nuevos modelos o paradigmas. Y es la busqueda de esta verdad, de este conocimiento, lo que nos hace "más" inteligentes y nos empuja a nuevas búsquedas y más descubrimientos.

Metáfora sobre la conciencia

La conciencia universal es como el océano.

Una masa indiferenciada y fluida, llena de potencial creador, de donde surgen ondulaciones y olas.

Podemos considerar a la ola como una existencia individual, sin embargo es obvio que la ola es el océano y el océano es la ola. En esencia son lo mismo.
Incluso la ola al romper contra las rocas llena el espacio con múltiples gotitas de agua, que nos dan la apariencia de individualidad por un corto período de tiempo para luego ser tragadas por el océano de donde salieron, de hecho, son el océano mismo.

A su vez, el agua se evapora, cambia de estado y se transforma en nubes.

Se pierde aparentemente la unidad original, está escondida detrás de una verdadera transformación.

Con algunos conocimientos básicos de física sabemos que la nube es vapor de agua y luego de otra transformación, volverá a su estado original y ahora, como lluvia, retornará a la fuente de donde surgió.

¿Y cuando el agua se convierte en un copo de nieve? Entonces toma por un tiempo una forma sólida y particular, bella y única. Pero sigue siendo agua, solo que ahora, diferenciada, nos brinda la apariencia de una entidad estructurada sin conexión alguna con su fuente creadora.

Para reunirse con el océano, el copo de nieve deberá abandonar su efímera forma individual y toda su estructura se fundirá mostrando su naturaleza real. Sufrirá en cierta manera, una muerte de su individualidad para poder volver a su origen.

Las olas, las nubes y el copo de nieve son diferentes manifestaciones del mismo océano, y aunque hayan transformado su estado fundamental por un corto momento, nunca dejaron de ser agua y de estar conectadas con el océano.

Si solo consideramos la individualidad corremos el riesgo de quedar atrapados en sus límites y no ver el resto, incluso podemos llegar a creer que esta -individualidad-existe por sí misma, separada del resto.

Nuestra conciencia individual es como el copo de nieve.

Cuando unicamente observamos la forma, o el fenómeno; la esencia permanece oculta, oscurecida.

Pero si ampliamos la mirada y vemos "más allá" de la forma; la esencia, es decir, lo real, lo auténtico, lo verdadero, se manifiesta de forma natural y espontánea y ya no hay verdadera separación entre ambas.

Realizar esto profundamente, con la totalidad del ser; no solo cura y equilibra, sino que además es fuente de luz.