/ jueves 14 de octubre de 2021

UG TU CONECTE CON LA CIENCIA

¿Estamos hechos de nada?


Dr. Oscar Loaiza Brito Departamento de Física, División de Ciencias e Ingenierías, Campus León
Universidad de Guanajuato



“Somos polvo de estrellas” es una de las frases con la que el famoso astrónomo estadounidense Carl Sagan cimbró muchas mentes. Darnos cuenta de que los átomos que nos forman provienen de la combustión interna de las estrellas, nos lleva a una profunda reflexión interna y seguramente a preguntarnos lo siguiente: ¿de dónde vienen las partículas de las cuales está hecho el átomo? ¿de dónde viene la luz, la fuerza de gravedad, las fuerzas atómicas? El origen de la materia y de la energía conlleva a serias dificultades tanto físicas como filosóficas. Estas últimas relacionadas con una pregunta que ha inquietado a ambas comunidades desde hace mucho tiempo: ¿por qué hay algo en vez de nada?

La pregunta va más allá de la famosa disparidad entre materia y antimateria. Aquí se trata de entender no solo la existencia de materia, sino de todo lo que tenga energía, como la luz misma. El propósito de este breve artículo es exponer una posible explicación que quizá no sea tan obvia en la mente de muchos de nosotros: que, en efecto, nuestro universo y todo lo que lo contiene sea equivalente a la nada.

Para que esto tenga sentido, es necesario que expliquemos lo que entendemos por “nada”. Lo más sencillo es pensar en la ausencia de cualquier entidad física (voy a restringirme a una formulación física y no filosófica, que sin duda es muy interesante pero que nos llevaría mucho más espacio que la intención de este artículo). Esto es innato en el universo mecánico concebido por Isaac Newton. La nada, en este caso, es un espacio absoluto en el cual colocamos los cuerpos y rayos de luz. El problema con este concepto, como lo señaló Leibnitz, es que el movimiento de un cuerpo es medible solo en relación a otro objeto. Un espacio absoluto carece de sentido al no poder establecer un movimiento relativo a él. La nada, como espacio absoluto debía modificarse.

Con el desarrollo de la teoría electromagnética, Maxwell establece implícitamente un concepto de la nada ligeramente diferente al newtoniano. En este, la luz es una onda construida por campos eléctricos y magnéticos que viaja a una velocidad finita a través de un medio llamado éter. Así, lo que aparentemente era una nada en el concepto mecánico, es ahora llenado por el éter sin vibrar. El espacio absoluto de Newton vuelve a emerger, pero ahora de una forma dinámica. Para que ello tuviera sentido, era necesario escapar de los señalamientos de Leibnitz y poder mostrar un movimiento relativo al éter, algo que nunca pudo hacerse.

Albert Einstein, con la teoría de la relatividad especial, mostró una manera de prescindir del éter postulando que la velocidad de la luz es constante para todo observador. Eso implica que no solo las posiciones entre dos observadores dependen de sus velocidades relativas, sino también la manera en que miden sus tiempos. Nace el concepto de espacio-tiempo absoluto en el que la luz viaja a una velocidad única.

Sin embargo, esta noción de vacío cambia radicalmente ante la formulación de la relatividad general, en donde el espacio-tiempo es ahora dinámico: se curva y ondula ante la presencia de materia y energía, pero su curvatura no siempre es el resultado de la presencia de objetos. El vacío, pensado como equivalente de un espacio-tiempo sin nada más, puede tener curvatura. Un vacío muy diferente al newtoniano.

El concepto de vacío recibe más modificaciones una vez que entramos al mundo cuántico en el que debamos pensar en las partículas como deformaciones localizadas de un ente que llena el espacio. A este ente se le conoce como campo, y hay uno para cada tipo de partícula. Así, tenemos el campo electromagnético, cuyas pequeñas fluctuaciones conocemos como fotones. O un campo, en donde las fluctuaciones son asociadas con los electrones. Algunos de ellos, como el campo electromagnético y el gravitacional, tienen propiedades dinámicas que los hacen ondular y llevar información hasta distancias macroscópicas.

En el vacío cuántico, las deformaciones y fluctuaciones suceden espontáneamente, creando con ello una plétora de partículas que se crean y destruyen. Ese vacío, está realmente formado por una enorme cantidad de partículas que son producidas por sus respectivos campos. El vacío cuántico es muy diferente a nuestra concepción de nada.

Vemos entonces que la noción de nada como la ausencia de cualquier ente, no corresponde con la versión física del vacío. Tenemos un vacío, con curvatura y con partículas, que son el punto de partida para situaciones más complejas como las múltiples interacciones entre ellas, y a partir de las cuáles creemos se agrupa la materia para formar átomos, moléculas, estrellas y galaxias que se alejan unas de otras en un espacio que se expande de manera acelerada.

¿Cómo entender un universo lleno de objetos como un vacío? Imaginemos que comenzamos con un universo conformado únicamente por números. La suma de sus elementos definen el tipo de universo que es. Así, podemos tener el universo 1, el universo 100 o el universo -20. Definamos a la “nada” como el universo cuya suma de elementos sea cero. Podemos claramente construir un cero a partir de muchos objetos. La “nada” física bien puede ser un cero hecho de la suma de infinitos números positivos y negativos (partículas y campos) en un espacio con curvatura.

¿Es posible entonces concebir a todo el universo como una nada? Sí, es posible. Para ello es necesario compaginar la noción de gravedad con el mundo cuántico, algo que aún está en construcción.

Cualquier comentario sobre este artículo, favor de dirigirlo a eugreka@ugto.mx. Para consulta de más artículos www.ugto.mx/eugreka

¿Estamos hechos de nada?


Dr. Oscar Loaiza Brito Departamento de Física, División de Ciencias e Ingenierías, Campus León
Universidad de Guanajuato



“Somos polvo de estrellas” es una de las frases con la que el famoso astrónomo estadounidense Carl Sagan cimbró muchas mentes. Darnos cuenta de que los átomos que nos forman provienen de la combustión interna de las estrellas, nos lleva a una profunda reflexión interna y seguramente a preguntarnos lo siguiente: ¿de dónde vienen las partículas de las cuales está hecho el átomo? ¿de dónde viene la luz, la fuerza de gravedad, las fuerzas atómicas? El origen de la materia y de la energía conlleva a serias dificultades tanto físicas como filosóficas. Estas últimas relacionadas con una pregunta que ha inquietado a ambas comunidades desde hace mucho tiempo: ¿por qué hay algo en vez de nada?

La pregunta va más allá de la famosa disparidad entre materia y antimateria. Aquí se trata de entender no solo la existencia de materia, sino de todo lo que tenga energía, como la luz misma. El propósito de este breve artículo es exponer una posible explicación que quizá no sea tan obvia en la mente de muchos de nosotros: que, en efecto, nuestro universo y todo lo que lo contiene sea equivalente a la nada.

Para que esto tenga sentido, es necesario que expliquemos lo que entendemos por “nada”. Lo más sencillo es pensar en la ausencia de cualquier entidad física (voy a restringirme a una formulación física y no filosófica, que sin duda es muy interesante pero que nos llevaría mucho más espacio que la intención de este artículo). Esto es innato en el universo mecánico concebido por Isaac Newton. La nada, en este caso, es un espacio absoluto en el cual colocamos los cuerpos y rayos de luz. El problema con este concepto, como lo señaló Leibnitz, es que el movimiento de un cuerpo es medible solo en relación a otro objeto. Un espacio absoluto carece de sentido al no poder establecer un movimiento relativo a él. La nada, como espacio absoluto debía modificarse.

Con el desarrollo de la teoría electromagnética, Maxwell establece implícitamente un concepto de la nada ligeramente diferente al newtoniano. En este, la luz es una onda construida por campos eléctricos y magnéticos que viaja a una velocidad finita a través de un medio llamado éter. Así, lo que aparentemente era una nada en el concepto mecánico, es ahora llenado por el éter sin vibrar. El espacio absoluto de Newton vuelve a emerger, pero ahora de una forma dinámica. Para que ello tuviera sentido, era necesario escapar de los señalamientos de Leibnitz y poder mostrar un movimiento relativo al éter, algo que nunca pudo hacerse.

Albert Einstein, con la teoría de la relatividad especial, mostró una manera de prescindir del éter postulando que la velocidad de la luz es constante para todo observador. Eso implica que no solo las posiciones entre dos observadores dependen de sus velocidades relativas, sino también la manera en que miden sus tiempos. Nace el concepto de espacio-tiempo absoluto en el que la luz viaja a una velocidad única.

Sin embargo, esta noción de vacío cambia radicalmente ante la formulación de la relatividad general, en donde el espacio-tiempo es ahora dinámico: se curva y ondula ante la presencia de materia y energía, pero su curvatura no siempre es el resultado de la presencia de objetos. El vacío, pensado como equivalente de un espacio-tiempo sin nada más, puede tener curvatura. Un vacío muy diferente al newtoniano.

El concepto de vacío recibe más modificaciones una vez que entramos al mundo cuántico en el que debamos pensar en las partículas como deformaciones localizadas de un ente que llena el espacio. A este ente se le conoce como campo, y hay uno para cada tipo de partícula. Así, tenemos el campo electromagnético, cuyas pequeñas fluctuaciones conocemos como fotones. O un campo, en donde las fluctuaciones son asociadas con los electrones. Algunos de ellos, como el campo electromagnético y el gravitacional, tienen propiedades dinámicas que los hacen ondular y llevar información hasta distancias macroscópicas.

En el vacío cuántico, las deformaciones y fluctuaciones suceden espontáneamente, creando con ello una plétora de partículas que se crean y destruyen. Ese vacío, está realmente formado por una enorme cantidad de partículas que son producidas por sus respectivos campos. El vacío cuántico es muy diferente a nuestra concepción de nada.

Vemos entonces que la noción de nada como la ausencia de cualquier ente, no corresponde con la versión física del vacío. Tenemos un vacío, con curvatura y con partículas, que son el punto de partida para situaciones más complejas como las múltiples interacciones entre ellas, y a partir de las cuáles creemos se agrupa la materia para formar átomos, moléculas, estrellas y galaxias que se alejan unas de otras en un espacio que se expande de manera acelerada.

¿Cómo entender un universo lleno de objetos como un vacío? Imaginemos que comenzamos con un universo conformado únicamente por números. La suma de sus elementos definen el tipo de universo que es. Así, podemos tener el universo 1, el universo 100 o el universo -20. Definamos a la “nada” como el universo cuya suma de elementos sea cero. Podemos claramente construir un cero a partir de muchos objetos. La “nada” física bien puede ser un cero hecho de la suma de infinitos números positivos y negativos (partículas y campos) en un espacio con curvatura.

¿Es posible entonces concebir a todo el universo como una nada? Sí, es posible. Para ello es necesario compaginar la noción de gravedad con el mundo cuántico, algo que aún está en construcción.

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