miércoles, 22 de febrero de 2012

Los GRAVITONES... todo un problema...


El Modelo Estándar es el paradigma actual que rige en la física de partículas y sirve para describir fenomenológicamente (es decir, aún sin conocer con todo detalle el modelo matemático) los procesos entre las partículas fundamentales. 
Y este Modelo permite describir tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: interacción fuerte, interacción débil y electromagnética.
 Y curiosamente, la fuerza de la gravedad que es la más antigua conocida por el ser humano, no hay manera de incluirla.
Siguiendo la analogía de las otras fuerzas, uno podría pensar en que existe una especie de "carga gravitatoria" que es la propiedad intrínseca de las partículas que sienten la fuerza de la gravedad.
En este punto es fácil identificar esa "carga" con la masa. 
Puesto que todo objeto con masa siente la gravedad y genera su propio campo gravitatorio. 
Hasta aquí todo bien. 
Y como las otras fuerzas, debería existir una partícula de tipo bosón encargada de transmitir la fuerza de gravedad. 
Al igual que la fuerte tiene los 8 tipos de gluones, la débil tiene los bosones W^\pm y Z^{0} y la electromagnética tiene al fotón. 
Este es el contexto deseable por la Teoría Cuántica de Campos.
Si esta idea es correcta entonces una partícula con una cierta masa, intercambiaría estas "partículas de intercambio de fuerza gravitatoria" con otra partícula de masa para producir una interacción gravitatoria. 
Convendremos, por sencillez, llamar gravitón a esta partícula hipotética.
 Pero entonces empiezan a aparecer los problemas por todas partes.
La gravedad es muy débil
La fuerza de gravedad es, con muchísima diferencia, la menos fuerte a escala cuántica. 
A cambio, es la más relevante a escala cosmológica. 
Esto es debido a que si bien la masa individual de cada partícula es muy pequeña y que la fuerza depende de una constante también muy pequeña, como no hay otra "carga gravitatoria" que compense, la masa siempre se suma. Y como siempre es una fuerza atractiva, entonces es cuestión de juntar partículas hasta que el efecto sea relevante. 
Y cuando eso se consigue, estamos en una escala macroscópica donde las otras fuerzas no tienen relevancia. 
Bien porque su alcance es limitado o bien porque estadísticamente se anulan, como es el caso de la electromagnética.
Pero es que a escala cuántica la gravedad es del orden de 40 veces menos importante que las demás. 
Y 40 órdenes de magnitud son muchísimos. Los mismos que separan el diámetro de un átomo de helio y mil veces el tamaño del universo observable. Nuestra mente es sencillamente incapaz de abarcar semejante diferencia. 
Pero sirva, de todos modos, para darnos cuenta de lo difícil -por no decir imposible- que resulta considerar sus efectos y de que, de haberlos, son enormemente pequeños. 
Si ésta partícula tiene masa, debe ser de unos 10^{-70} kg (frente a los 10^{-31}kg del electrón, y esa diferencia es la misma
 que separa la masa del Sol de 1 miligramo). 
Aunque si su masa en reposo es nula, su alcance sería ilimitado y se propagaría a la velocidad de la luz.
Esta es una dificultad inmensa porque impide de partida comprobar los efectos de la gravedad a escala cuántica. 
Porque implicaría aislarla de las otras tres fuerzas para ser capaces de ver algo.
Y eso no es posible. 
Al menos, en el contexto del Modelo Estándar que hasta ahora es extremadamente preciso con lo que se observa.
El problema de la Relatividad General
La manera en que se estudia actualmente la Cosmología se basa en gran medida en la Relatividad General de Einstein. 
Es un modelo geométrico para la gravedad, que funciona muy bien y reproduce los resultados experimentales con exquisita precisión. 
En el contexto de la Relatividad General, la masa y la energía modifican el espaciotiempo a su alrededor y las trayectorias cambian.
 La gravedad en este contexto no es tanto una fuerza sino una consecuencia indirecta de esta curvatura. Nosotros lo que vemos es que los objetos con masa son atraídos por otros objetos con más masa. Y es análogo a considerar esto que, salvando las distancias, considerar que caen uno hacia el otro como consecuencia de que ha curvado el espaciotiempo.
Tratando de prescindir del sentido místico que ha tomado esta expresión fuera de los círculos académicos, curvar el espaciotiempo consiste en que el hecho de que un cuerpo tenga masa perturba el espacio alrededor y deja de ser geométricamente plano (plano significa que dos lineas rectas paralelas se cortan en el infinito, que los ángulos internos de un triángulo suman 180º, etcétera) y pasa a ser un espacio algo más complejo.
Aquí es donde nos damos de bruces con el problema. 
Si recordamos la historia y el desarrollo de la Mecánica Cuántica  podemos darnos cuenta que en ningún momento se hace ninguna mención al espacio o al tiempo. 
Sencillamente se da por supuesto que existe y que es un escenario establecido. 
Se considera que las partículas están ahí, tienen sus interacciones y demás pero no se explica que hay un escenario ni cual es su estructura. 
Simplemente lo damos por sentado.
En Relatividad General tenemos las ecuaciones que relacionan la curvatura del espaciotiempo con la masa-energía. 
Si tratamos de hallar una descripción que mezcle el punto de vista clásico y el cuántico entonces nos topamos con un problema. 
Si consideramos que tenemos una partícula más o menos localizada con un 50% de probabilidades en una región 1 y un 50% en una región 2, entonces el efecto de la gravedad debe de alguna manera, repartirse por estas regiones. 
Pero cuando medimos en un lugar alguna propiedad relacionada con la energía, instantáneamente se produce el colapso del paquete de ondas y el valor para la curvatura cambia. 
Lo cual llevaría a que la interacción se está produciendo a velocidad infinita. 
Y esto viola los principios más fundamentales de la propia relatividad.
Parece entonces que la única manera posible es o bien aceptar una descripción clásica para la curvatura y la masa-energía o una descripción cuántica para las dos.
 Se acepta que, la vía correcta es esta última, pero las dificultades parecen insalvables.
Hemos dicho que la gravedad, tal y como la propone la Relatividad General, es una teoría geométrica en el sentido de que modifica la estructura del espaciotiempo.
 ¿Cómo vamos a modelar su efecto a nivel cuántico si ni siquiera tenemos claro lo que es el espacio o el tiempo a ese nivel? 
Porque para echar más leña al fuego, el gravitón si existe, debe mostrar un comportamiento a escala y modificar la estructura del espaciotiempo porque ese es el comportamiento adecuado para la gravedad.
 Habría que reformular la Relatividad General para el caso de un espaciotiempo discreto.
 Es decir, en lugar de estar constituido por una malla continua, estar formado de pequeños paquetes. 
Ya no es que no se sepa en qué manera se interaccionan, es que además de interactuar entre sí tienen que ser consistente con un escenario en el que los gravitones interaccionan a su vez con el espaciotiempo y consigo mismos. 
Demasiados problemas, y esto no ha hecho más que empezar.
¿Qué pasa con los agujeros negros? 
Sabemos que nada puede escapar de ellos, ni siquiera la luz. 
Sabemos que las emisiones de jets son en realidad producidas por los discos de materia en acrección que hay alrededor de ellos. 
Pero entonces ¿cómo es capaz de salir de un agujero negro un gravitón -y no uno, sino muchisimos- para atraer los cuerpos con la intensidad con la que lo hace? 
Bueno, hemos de recordar que en Mecánica Cuántica se distinguen partículas reales y partículas virtuales.
La diferencia es que las primeras existen y cumplen todos los principios fundamentales de la Física y las segundas los violan aparentemente y existen en fracciones minúsculas de tiempo, gracias a que el principio de incertidumbre lo permite. 
Así que, mientras los agujeros negros emitieran gravitones virtuales, no habría ningún problema a priori.
Se me quedan algunas cosas en el tintero y seguramente escriba una segunda parte.

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