OcioCiencia 0.9

Answers & questions again!

Una entrega más, y ésta completamente dedicada a dudas que os carcomen. No me las esperaba, la verdad, y en parte estropea mi planificación, pero eso me alegra (lo que prueba que en OcioCiencia estamos fatal del tarro). Un/a amig@ anónim@ es quien se ha animado esta vez, además del jefe Akhul (¿suena indio?), que ya es un clásico en esta sección. Vamos con el/la coleguita anónim@:

Número pi: “nos bastarían 50 decimales suyos para describir la curvatura del universo y estaríamos cometiendo un error más pequeño que el tamaño de un protón”. ¿Podrías explicarlo y cómo se calcula esa curvatura?

Permíteme que haya colocado esta pregunta en primer lugar, pero trata un tema alejado de las otras. La frase que mencionas creo que es del 0.5, pero algunos autores reflejan otra versión. En cualquier caso, la original está en el libro The Quest for Pi, de Bailey y los Borwein, y dice “a value of pi to 40 digits would be more than enough to compute the circumference of the Milky Way galaxy to an error less than the size of a proton”. ¿Qué significa eso? Bueno, el número pi viene de la relación que hay entre la longitud y el diámetro de una circunferencia. La Vía Láctea, nuestra galaxia (Milky Way, en inglés), tiene forma circular, con lo cual es redonda.

Según la frase, conocido su diámetro (de media 100.000 años-luz) y usando el propio pi con 40 decimales, podemos sacar la longitud de la circunferencia de la galaxia con un error menor que el tamaño de un protón, que ronda los 1 × 10–15. En otras palabras, nos equivocaríamos del valor real en una cantidad menor que 0,0000000000000001. Sorprendente, eh. En el caso de usar la frase con la curvatura el procedimiento es muchísimo más complicado y no lo conozco al completo, pero se aplica el tensor de curvatura a la región del espacio deformado (que teóricamente tiene forma pseudoesférica), con lo que en este caso los 40 decimales de pi se aplican en la fórmula del volumen.

No acabo de entender el final del artículo 0.1. A ver, la gravedad no existe. Vale, hay una curvatura en el espacio-tiempo producida por la energía-masa de un cuerpo. Pero cuando hay dos cuerpos sí que interactuan por una fuerza de atracción entre ellos que llamamos gravedad, ¿no? ¿Podrías aclararmelo?

Tu exposición es muy completita y, lo que es más importante, es correcta. No existe la gravedad en el sentido de Newton, pero sí existe la interacción gravitatoria. Es decir, un cuerpo (por ejemplo, la Tierra) por sí mismo no atrae nada, que es lo que dice la teoría de Sir Isaac. Lo que sí hace un cuerpo es generar mediante su masa un campo de atracción gravitatorio, y éste sí que es el pillín que atrae las cosas.

La situación es similar a la de un imán que genera un campo magnético. No es el imán lo que actúa sobre los trocitos de hierro, sino el campo que lo envuelve. Esta tontería le ha sido muy útil a la Patrulla-X para detener a Magneto en más de una ocasión: no hay que neutralizar al archienemigo, sino a su magnetismo.

Y el graviton es la partícula que en teoría se intercambia, aunque no se ha visto en la práctica; si no existe, ¿cómo es posible esa interacción?

Lo que no existe (a priori) es la partícula, pero sí existe el efecto en el que participa la hipotética partícula, que es la interacción gravitatoria. Entonces, reformulando la pregunta creo que nos quedaría: ¿cómo es posible que haya interacción gravitatoria si no se sabe si hay partícula? Muy fácil, para este fenómeno la hipótesis del gravitón es suficiente pero no necesaria. El modelo del gravitón explicaría la interacción, pero no es la única explicación posible. Yo podría decir que quizás se deba a que hay unos duendecitos que se encargan del asunto, y ahora tocaría probar que existen tales duendecitos. Si la verdad fuese que no existen, entonces estaríamos en el mismo caso de si el gravitón no existiera: hay interacción (se da experimentalmente), a pesar de que no existen los duendecitos.

¿Pero por qué buscamos la explicación con los gravitones en vez de con los duendecitos? Porque estamos en materia de la Mecánica Cuántica, la cual os recomiendo no usar como tema de flirteo. Según esta teoría, toda interacción se produce por cuantos (cantidades mínimas de magnitudes, como un fotón). Así, la interacción que una fuerza produce entre la materia y las partículas elementales es simple emisión/absorción de cuantos. Como la Cuántica mola, parece que este tipo de modelo explicará la interacción gravitatoria (que es una fuerza fundamental) y el cuanto que participa en el fenómeno sería el graviton. Ahora bien, según se ha comprobado, la gravedad (relativista, no newtoniana) surge de la deformación que hace un cuerpo masivo en el espacio-tiempo. Como en Relatividad masa y energía son equivalentes, la gravedad en última instancia surge de la energía, y es este hecho el que hace difícil que podamos describir la interacción gravitatoria en términos de cuantos, porque se supone que cada cuanto llevaría muy poca energía. ¡Aquí es donde chocan la Relatividad General y la Mecánica Cuántica! ¡Pero para eso tenemos la cabeza, para no perderla! Ambas teorías se podrían pegar, y quien lo consiga habrá dado con una Teoría Cuántica de la Gravedad, y quizás haya hecho el avance más significativo en la Ciencia desde el factor de curvatura de Star Trek.

He leido que hay una cosa llamada materia oscura (Alonso-Finn), aunque no me ha quedado claro qué es. ¿Está en los agujeros negros o está relacionada con la antimateria?

La materia oscura es una materia hipotética, hallarla es uno de los problemas más importantes que hay actualmente en Física. Al igual que pasa con el gravitón, no se sabe a ciencia cierta si existe, y esto se debe a que no emite ninguna radiación que diga “aquí estoy”. Lo más probable, de acuerdo con las observaciones hechas en la velocidad de giro de las galaxias, es que exista y, lo que es más, que el universo en su cuarta parte sea materia oscura (y eso no es moco de pavo). ¿Y las tres cuartas partes que quedan? Casi al completo son energía oscura, ¡que no es lo mismo que materia oscura!

Se sabe que el universo está en expansión. Antes se pensaba que esa expansión podría desacelerarse, detenerse o hasta invertirse según la materia oscura que hubiese. No obstante, con los experimentos más recientes la materia oscura le ha cedido su protagonismo a la energía oscura, que sí que está acelerando la expansión del universo hasta el punto de que todo puede acabar en un esparcimiento crítico (teoría del Big Rip). ¿Será verdad que todo cuanto existe acabará disuelto en partículas elementales? A esa pregunta y a otras más les daremos respuesta dentro de un par de entregas, ¡incluso con aportaciones mías a la teoría sin que el nivel de seriedad se resienta! (no, qué va).

¡Ah, se me iba olvidando! La materia oscura no está en los agujeros negros pero, si existe, debe estar en sus cercanías. Digamos que el universo está organizado a diversas escalas. Los planetas se agrupan en sistemas solares, las estrellas en galaxias y las galaxias en cúmulos de galaxias. Pues bien, la materia oscura sería una “plastilina” que hay entre las galaxias y entre los cúmulos de galaxias, que es por donde rondan los agujeros negros y los quásares.

Respecto a su relación con la antimateria, no creo que se pueda afirmar o negar nada. Ambas cosas son aún muy desconocidas y, la verdad, en el universo todo tarde o temprano acaba afectando a todo lo demás. De lo poco que se sabe es que la materia oscura se comporta de distinta forma con la materia que con la antimateria. De hecho, se baraja que la materia oscura pudo ser la responsable de la Bariogénesis, la lucha que hubo entre materia y antimateria cuando el universo era un bebé y que, como se ve, ganó la primera. El por qué la materia oscura tiene ese trato de favor con la materia no se sabe, pero podría ser por la Violación CP, según la cual las leyes de la Física no serían las mismas para partículas con distinta carga.

¿Si se contrajera el cosmos sería porque hay mucha materia oscura? ¿Ésta actuaría a modo de agujero negro que colapsaría toda la materia del universo y estallaría a modo de Big Bang, o no van por ahí los tiros?

En esta pregunta se plantea un What if...? Ciertamente, es difícil comprender el universo que vemos, ¡cuánto más uno que nos imaginemos! En el universo que tenemos, el cosmos no se está contrayendo y no parece que vaya a hacerlo porque, como hemos dicho, parece que una energía oscura está haciendo que crezca cada vez más deprisa. En el supuesto que pones, si se hubiese formado mucha más materia oscura de la que se presume que existe, la expansión se habría detenido y puede que hasta se hubiese invertido. Pero en ese caso todo habría pasado mucho antes de que se formase la Tierra, con lo que el cosmos nunca se habría desarrollado como el que hay ahora. Es como si se hubiese agrandado y luego dijese “eh... mejor me paro”. La única cosa que se te ha escapado (supongo que por despiste, de eso sé un rato) es que el colpaso no sería un Big Bang sino un Big Crunch, un Big Bang visto como si rebobinásemos la cinta.

¿Es realmente posible con un agujero de gusano viajar en el tiempo? Explica en qué consistiría.

Sí, pero sólo en teoría, porque un agujero de gusano, de existir, sería demasiado inestable como para lograr que nos hiciese viajar a la época que quisiéramos. Eso lo veremos a su debida entrega, y para ello os pido bastante paciencia, será en el 1.3 o por ahí, pero merecerá mucho la pena. Sólo os adelanto que analizaremos el caso de manipular un agujero de gusano “natural” y, de propina, el caso de crear uno por nuestra cuenta y riesgo a ver qué pasa, llegando a conclusiones asombrosas y pa’ mearse. Resistid la espera, ¡si os lo cuento todo ya, me quedo sin gancho!

Ya sólo me resta la última pregunta: El CERN ha construído un nuevo acelerador de partículas con el objetivo de recrear el Big Bang y el inicio del universo; ¿qué partículas tienen que colisionar? ¿por qué esas y no otras? ¿por qué tardan tanto en hacer los experimentos? En qué consiste exactamente este proceso.

Iré por partes, pero antes, para mantener un orden en la exposición será mejor ir respondiendo a Akhul, que nos soltó esta perla: ¿Qué historia era aquella de que por unos experimentos con un acelerador de partículas que tenían algo que ver con la teoría de cuerdas nos íbamos a ir vibrando al #$%&?

La historia aquella aún no ha acabado, está en un “continuará”. Primeramente, el Gran Colisionador de Hadrones (abreviado LHC, por Large Hadron Collider o La Hemos Cagad*) es un colisionador, que no es lo mismo que un acelerador (yo antes me liaba con esto). El LHC, como todo colisionador, hace colisionar partículas que circulan en sentidos contrarios (por eso tiene forma de donut), mientras que en un acelerador las partículas colisionan con otras que están “quietas”. La ventaja de un colisionador es que, cuando dos partículas colisionan, la energía de la colisión es la suma de las energías de las dos partículas, y por ello más fácil de detectar.

Los casi 30 kilómetros de circunferencia de esta rosquilla se encuentran a cientos de metros bajo tierras de Francia y Suiza. Se trata de un proyecto de tamaño colosal y, como tal, puede quedarse en un colosal fracaso. En la broma participan miles de físicos y cientos de universidades y laboratorios que confían en que el proyecto diga qué es el bosón de Higgs, qué es la materia oscura o qué mutó a las Tortugas Ninja.

No es por tirarme flores, pero yo intuía que el experimento iba a ser un fracaso, y miren por donde en el pasado mes de septiembre se produjo un fallo debido a que una de las 10.000 ensambladuras estaba mal colocada. Parece ser que la conexión eléctrica entre dos imanes superconductores se fundió por un fallo mecánico (lo que se conoce como quench) y humano (lo que se conoce como meterla doblada). Esto provocó una fuga de helio, que es el gas refrigerante de los imanes del LHC, y en eso se quedó. Por suerte sólo hubo daños materiales. Ahora la reparación tardará mínimo dos meses, ya que para arreglar los imanes dañados antes tienen que dejarlos enfriar (trabajan a unos -271 ºC), lo que como podéis imaginaros llevará mucho tiempo. Después tocará hacer la chapuza y luego otra vez congelarlos. Según el portavoz del CERN, el coste de la reparación “entrará en el presupuesto” del proyecto sin necesidad de ninguna contribución, “pero si cae alguna, mejor”, murmuró.

Todo eso en parte responde a ¿por qué tardan tanto en hacer los experimentos? La otra parte es añadirle los problemas iniciales de financiación y construcción, el coordinar a tanto personal, y luego que para su funcionamiento la estructura debe estar muy fría. Sólo en esas condiciones los 1.800 imanes pueden generar la intensidad del campo magnético necesario (100.000 veces más intenso que el terrestre) para obligar a los protones a seguir una trayectoria cuando sean lanzados por el donut. Además de todo eso, debían tener listo los detectores de las colisiones y el dispositivo para procesar los resultados del experimento (aproximadamente almacenarán un CD-ROM por segundo).

En qué consiste exactamente este proceso.

Toca explicar qué es un hadrón. Bueno, un hadrón es alguien que hoba. Qué malo xD ¡Esperad, no os vayáis! Lo diré: un hadrón es una partícula que se deja avasallar por la interacción nuclear fuerte, esa fuerza que mantiene unidos protones y neutrones en los núcleos atómicos. En concreto, por el LHC se acelerará un tipo de hadrones: los protones de 7 TeV (TeV es la abreviatura de tera electrón-voltio, unidad de energía equivalente a 1 billón de electronvoltios).

Pero, ¿por qué protones? ¿Qué pasa con ellos, son las semillas del universo? Bueno, todo lo que sabemos del universo en sus primeros momentos es pura especulación, y el que diga lo contrario miente y esta Navidad se quedará sin regalo. La Relatividad General predice una singularidad para ese “momento”, y eso que tiempo y espacio aún no existían. Paradójicamente el Big Bang no pudo ser una explosión porque no tenía sitio donde explotar, aparte de que en el cosmos el sonido no se propaga. Debió ser un Big... shhh. Un Big Fujitsu. El Big Bang es el origen mismo del espacio-tiempo, no tenía dónde estallar ni tenía un momento para hacerlo. Sé que es complicado, pero preguntarse qué hay antes del Big Bang es tan absurdo como preguntarse qué hay al norte del Polo Norte.

En fin, la Relatividad respecto al nacimiento del universo habla de una singularidad bajo condiciones en las que la propia teoría deja de ser válida debido a los efectos cuánticos (efectos a escalas subatómicas). Nada se sabrá hasta que se construya una Teoría Cuántica de la Gravedad, y en eso andan los científicos, esperando que nazca un genio que les saque las castañas del fuego, con lo cual el mencionado genio también deberá saber de cocina.

Se supone que en su nacimiento, el universo estaba lleno de energía y más caliente que el palo de un churrero. Luego tuvo lugar la inflación cósmica y se expandió “de forma esponencial”, que es como científicamente se dice “a toda leche”. A continuación la expansión cesó y la energía se descompuso en calor. En este momento, el universo estaba dominado por radiación y, debido a un cambio denominado Bariogénesis, los componentes de la materia (quarks y gluones) se combinaron para dar cositas como los protones. Más tarde (y aquí es donde empiezan a toquetear los del CERN) los protones se mezclaron para dar a luz átomos. Luego algunas regiones algo más densas dieron lugar a las estrellas, galaxias y demás. El resto es conocido por todos y cada dos noches lo ponen en la tele.

A resumidas cuentas, los del CERN no harán un Big Bang chiquitajo ni nada de eso, más quisieran. Eso sólo es un reclamo publicitario. Lo que harán en el CERN es, si acaso, simular lo que pasó un segundo después del Big Bang, que es cuando se generó la materia. Es decir, la materia parece que surgió del continuo y caótico choque de protones al estilo de bolas de billar cuando comienza una partida. Por eso mismo por el LHC los protones irán a velocidades muy, muy cercanas a la de la luz y se darán de ostias. Cada paellazo sólo tendrá una energía ínfima, pero se hará a una escala tan enana que originará una intensa energía (sobre todo en forma de calor) que debe proporcionar datos a los científicos. O al menos les hará echar el ratito.

Los protones lanzados por el LHC, además de estar controlados por el potente magnetismo de los imanes colocados, irán “empaquetados en tubitos” llamados bunches. Entonces, la probabilidad de que un protón kamikaze golpee a otro que le llega de frente sale del cociente entre el tamaño del protón y la sección del bunch. Eso, junto a otros detalles, nos dice que habrá alrededor de 20 colisiones por cada cruce. Como se esperan 31.600.000 cruces al segundo (esta es la average crossing rate, algo así como la cifra que a los del CERN les hace ilu alcanzar), el total de colisiones sale a 600 millones por segundo. ¿Que cómo lo he calculado? Sé multiplicar.

¡Uau!, ¿pero qué hacemos con todas esas colisiones? Pues mientras todos estarán echando unas risas, los detectores ALICE, CMS, LHCb y ATLAS (éste como un edificio de cinco pisos) las registrarán e irán seleccionando las más relevantes. Y ahora es el turno de los laboratorios y universidades, que procesarán todo ese rollo y luego se analizará lo que se tenga, se sacarán conclusiones y entonces se pulsará sin querer el botón de reiniciar y ale, formateo al canto de lo que teníamos. Se efectuarán un par de despidos, se dará un lavado de cara al proyecto y se hará una rueda de prensa diciendo que ha sido un éxito, el LHC nos ha ayudado mucho, no sabemos cómo ni para qué, pero nos ha ayudado.

No todo ha sido un camino de rosas. Desde que se ideó el LHC, algunos científicos se han opuesto a su puesta en marcha, e incluso han llevado al CERN a juicio pues “existe la posibilidad de que su funcionamiento desencadene la destrucción, no sólo de la Tierra, sino incluso del universo”. Así tal cual, a lo bestia. Creo que para la legislación del caso el código penal no estaba preparado para castigar un delito a nivel galáctico.

Ante la acusación, hoy por hoy la comunidad científica rechaza tales minucias porque carece de cualquier respaldo matemático (como si hiciera falta, juasss). En realidad no dicen que no haya peligro sino que está todo bajo control. No me miréis así, no sé cómo tienen bajo control riesgos como la creación de un agujero negro. El CERN ha realizado estudios y la conclusión es que “no se encuentran bases fundadas que conduzcan a estas amenazas”.

Según el CERN, en el hipotético caso de que se creara un agujero negro, sería tan pequeñito que podría atravesar la Tierra sin tocar ni un átomo (pero también podría ser que no). Como no comería nada llegaría al espacio sin crecer (si no comes, no creces), y allí fuera su probabilidad de crecer sería aún menor. Pero todo eso son probabilidades. Si se diera el caso remoto de que se originase un agujero negro y aún encima empezase a zampar, según mis previsiones se pondría rumbo al centro de nuestro planeta. Toda la Tierra sería devorada al cabo de casi una hora (cada vez más deprisa) en lo que sería un final apocalíptico y cómico (bwahahaha). La diferencia de presión arrasaría con todo y la Tierra acabaría dentro del agujerito negro, ahora de un tamaño superior a la Luna. Al poco, nuestro satélite sería el siguiente plato, y luego Marte, Venus, Mercurio y así hasta el Sol. A estas alturas sería demasiado tarde para que el CERN pidiera perdón, el Sistema Solar ya no existiría, y su ausencia se echaría en falta hasta el punto de que podría llegar a desestabilizar el mismísimo brazo de Orión y, en cuestión de millones de años, alterar el rumbo de la galaxia para hacerla chocar con la Gran Nube de Magallanes, la Pequeña Nube de Magallanes o las dos, mientras una voz por el cosmos repite “no se encuentran bases fundadas que conduzcan a estas amenazas”.

La única objección que se puede poner es que ese cataclismo es un suceso imposible. Pero es que, ¡ja!, ¡acabarámos ahí, manito!, un suceso imposible a veces no es que sea imposible de darse, sino que su probabilidad es cero. ¡Es algo remotamente posible, pero sigue siendo posible! Es similar a tener una hoja en blanco y pintar un punto. El hecho de que pintemos otro punto y sea exactamente donde dibujamos el primero es casi imposible de que pase, pero se puede dar. Por este desacuerdo me he quedado sin pisar el CERN. Se rumorea que hay una foto mía en la entrada de la instalación que dice “si le ves por aquí, dale un pisotón”. Lo bueno es que no iré y eso que me ahorro, además tampoco seré cómplice de una posible destrucción galáctica. Lo malo es que si pasa, no podré salvaros. Ni siquiera salvarme a mí. Ni siquiera se salvaría el Dr. Manhattan. Pero no preocuparse, si fuera a destruirse la Tierra, os garantizo que yo sería uno de los primeros en saberlo. Aun así, mientras haya un riesgo hipótetico creo que no se deberían tocar los hadrones. Perdonad mis desvaríos, pero es que acabo de ver que he borrado la Papelera de Reciclaje xD

En definitiva: en el CERN alguien ha tocado lo que no se debía y todo se ha parado por ahora. Con ello la “destrucción” del mundo se pospone. Tendremos algunos meses más para encontrar trabajo, ir al cine o terminar la colección de cromos. Luego, en la primavera de 2009, se reactivarán las actividades.

Muchísimas gracias por las preguntas y comentarios, así como al resto de personitas que nos siguen. Espero que todos los amigos de éste y del otro lado del charco no falten a la próxima cita porque... ¡estaremos a un paso del OcioCiencia 1.0! Sí, antes de alcanzar esa cifra, lo celebraremos por todo lo alto. Vendrán muchas personalidades (Catherine Zeta Jones ha confirmado su asistencia), daré un discursito sentimentaloide, haremos un viaje alucinante y brindaremos con champagne. Eh... con que se cumpla una de todas esas cosas me daré por satisfecho. Venid de todas formas, porfa.

¡Allí nos vemos!