El blog de Antares: Articulos Fisica

Label: Articulos Fisica

Se cumplen tres décadas de la muerte de uno de los científicos más influyentes de todos los tiempos. Recordemos las palabras más interesantes que nos dejó.

Tal vez sólo las personas a las que les interesa verdaderamente el desarrollo científico y el pensamiento escéptico sepan quién fue el neoyorkino Richard Feynman, físico teórico del Instituto Tecnológico de Massachusetts y la Universidad de Princeton, ganador del premio Nobel en 1965, al que se conoce sobre todo por su trabajo en mecánica y electrodinámica cuánticas, por formular los principios de la nanotecnología, por su participación en el Proyecto Manhattan para producir la bomba atómica durante la Segunda Guerra Mundial y en la Comisión Rogers, encargada de esclarecer el desastre del transbordador espacial Challenger en 1986, por su obra como divulgador de su área y por su ateísmo declarado.

"Hay que tener la mente abierta, pero no tanto como para que se te caiga el cerebro"

Dos extraños tipos de cáncer, un liposarcoma y una macroglobulinemia de Waldenström, acabaron con su vida el 15 de febrero de 1988, justo tres décadas atrás, y se supone que sus últimas palabras recogidas fueron estas: “No me gustaría morir dos veces; es tan aburrido…”. Pero no son las únicas que nos dejó para el recuerdo en los sesenta y nueve años que estuvo paseando su serena lucidez por el mundo, sino que hay muchas otras suelen citarse y que también circulan por las redes como indicativo de por qué en los resultados de una encuesta de la revista británica Physics World, realizada en 1999, aparece entre los diez físicos más importantes de la historia.

Por ejemplo, algo tan fundamental como lo que va a continuación, que tal vez deberían tatuarse en una zona corporal bien visible todos aquellos que navegan jovialmente por las procelosas aguas de los disparates pseudocientíficos y del pensamiento mágico: “El principio de la ciencia, casi la definición, es el siguiente: «La prueba de todo conocimiento es el experimento». El experimento es el único juez de la verdad científica”. Porque, según él, “hay que tener la mente abierta, pero no tanto como para que se te caiga el cerebro”, y “capacidad experimental, honestidad en la publicación de los resultados e inteligencia para interpretarlos”, pues “hay que demostrar nuestras equivocaciones lo más rápido posible; es la única manera de avanzar”.

Lab.CCCB.org

"Lo que necesitamos es imaginación, pero imaginación encorsetada en la terrible camisa de fuerza que es el conocimiento"

Como defensor insobornable del pensamiento crítico, Feynman sabía que “lo que necesitamos es imaginación, pero imaginación encorsetada en la terrible camisa de fuerza que es el conocimiento”, que “no importa cuán hermosa sea tu conjetura, no importa cuán inteligente seas, quién hiciese la conjetura o cómo se llame. Si no está de acuerdo con el experimento, está mal”. No obstante, desconocía “lo que le pasa a la gente: no aprenden comprendiendo, aprenden de alguna otra forma, por la rutina o de algún otro modo. ¡Qué frágil es su conocimiento!”. Y se demostró capaz de comprender, en una muestra de humildad bien entendida, que “cuando un científico examina problemas no científicos, puede ser tan listo o tan tonto como cualquier prójimo, y de que cuando habla de un asunto no científico, puede sonar igual de ingenuo que cualquier persona no puesta en la materia”.

Si bien no le preocupaba, y como ateo sin la avidez exigente de que le tranquilizasen con maravillas de la revelación religiosa, se pudo tomar la incertidumbre de la vida humana con paradójica sabiduría y sosiego absoluto: “No debo tener una respuesta. No me siento aterrorizado por no conocer cosas, por estar perdido en este misterioso universo sin tener ningún propósito, que es el modo en que la realidad es, hasta donde puedo decir, posiblemente. Esto no me aterra”. Sin embargo, su conocimiento firme tampoco se podía poner en duda: “Para aquellos que no conocen las matemáticas, es difícil sentir la belleza de la naturaleza… Si quieren aprender sobre la naturaleza, apreciar la naturaleza, es necesario aprender el lenguaje en el que habla”.

"La física es a las matemáticas lo que el sexo a la masturbación"

Con una comparación risueña, consideraba por otra parte que “la física es a las matemáticas lo que el sexo a la masturbación”, pues “la física es como el sexo: seguro que da alguna compensación práctica, pero no es por eso por lo que la hacemos”. Y, pese a que el bueno de Feynman se comunicase con la naturaleza casi de tú a tú entonces, no se engañaba al respecto, y decía que “la mecánica cuántica describe la naturaleza como algo absurdo para el sentido común, pero concuerda plenamente con las pruebas experimentales”; y remataba: “Espero que ustedes puedan aceptar la naturaleza tal y como es: absurda”. Porque “las cosas más importantes de la naturaleza parecen ser resultado del azar o de los accidentes”, y “ni siquiera la propia naturaleza sabe qué camino va a seguir un electrón”.

WashingtonPost.com

"No me parece que este universo fantásticamente maravilloso pueda simplemente ser un escenario para que Dios vea a los seres humanos luchar por el bien y el mal"

Con su mente despejada, dijo sin contemplaciones: “No me parece que este universo fantásticamente maravilloso, esta tremenda gama de tiempo y espacio y diferentes tipos de animales, y todos los distintos planetas, y todos estos átomos con todos sus movimientos, etcétera, todo esto interconectado pueda simplemente ser un escenario para que Dios vea a los seres humanos luchar por el bien y el mal, que es la visión que tiene la religión. El escenario es demasiado grande para el drama”. Y es que “Dios siempre ha sido inventado para explicar misterios. A Dios siempre se lo inventa para explicar esas cosas que no entiendes. Ahora, cuando finalmente descubres cómo funciona algo, obtienes algunas leyes que le estás quitando a Dios; ya no lo necesitas más”.

Desde luego, no se andaba con circunloquios al abordar estas cuestiones. He aquí otro ejemplo pertinente: “La observación que leí en alguna parte, que la ciencia está bien siempre y cuando no ataque a la religión, fue la clave que necesitaba para comprender el problema. Mientras no ataque a la religión, no es necesario prestarle atención y nadie tiene que aprender nada”. Ni al referirse al tratamiento de las ciencias en el arte: “¿Qué hombres son poetas que podrían hablar de Júpiter si fuera un hombre, pero si es una inmensa esfera giratoria de metano y amoníaco deben permanecer en silencio?”. O a la filosofía vital de tres al cuarto: “Una persona habla con tales generalidades que todos pueden entenderlo y se considera una filosofía profunda. Sin embargo, me gustaría ser mucho más especial y ser entendido de una forma honesta, no de una forma vaga”.

“¿Qué hombres son poetas que podrían hablar de Júpiter si fuera un hombre, pero si es una inmensa esfera giratoria de metano y amoníaco deben permanecer en silencio?"

Aunque, “demonios, si pudiera explicárselo a la persona promedio, no hubiera valido la pena el premio Nobel”. Y no eso solamente: “Creo que puedo decir con seguridad”, afirmó un día de asombro público, “que nadie entiende la mecánica cuántica”. Sin embargo, por encima de las dificultades numerosas y de la incomprensión reinante, su compromiso ilustrado no se alteró ni un tanto así: “Es responsabilidad nuestra hacer lo que podamos, aprender lo que podamos, mejorar las soluciones y transmitirlas a nuestros sucesores”, aseguraba. “Es responsabilidad nuestra dejar la manos libres a las generaciones futuras”. Y prosiguió de esta forma: “Es nuestra responsabilidad como científicos, sabiendo el gran progreso que proviene de una filosofía satisfactoria de la ignorancia, el gran progreso que es fruto de la libertad de pensamiento, para proclamar el valor de esta libertad, para enseñar cómo la duda no debe temerse sino ser bienvenida y debatida, y exigir esta libertad como nuestro deber para todas las generaciones venideras”. Las mismas generaciones que, de verdad, estamos y estaremos siempre en deuda con el gran Richard Feynman.

hipertextual

El 25 de noviembre de 1915, Albert Einstein presentó la formulación definitiva de su teoría de la relatividad general, introduciendo el misterioso concepto de la curvatura del espacio-tiempo. Con la ayuda del físico Roberto Emparan, profesor ICREA de la Universidad de Barcelona, nos adentramos en los entresijos de esta teoría, que superó a su creador al plantear la existencia de objetos en los que no creía: los agujeros negros.

¿Qué conmemoramos exactamente este 25 de noviembre de 2015?

Se cumplen justo 100 años del día en que Albert Einstein explicó en una conferencia ante la Academia Prusiana de Ciencias, en Berlín, las ecuaciones definitivas de su teoría general de la relatividad. Tras casi una década de tortuosos intentos de compatibilizar la fuerza gravitatoria con su teoría especial de la relatividad (1905), y con el matemático David Hilbert pisándole los talones, por fin dio forma precisa y definitiva a la que se considera una de las cimas intelectuales de la humanidad. Su presentación se publicó aquel mismo día, 25 de noviembre de 1915, en las actas (Proceedings o Sitzungsberichte) de la academia.

Einstein publicó el 25 de noviembre de 1915 su ecuación de la relatividad general. / Actas de la Academia Prusiana de Ciencias

¿Einstein presentó ese mismo día la ecuación que hoy se conoce?

En realidad es un sistema de diez ecuaciones, pero se pueden escribir de manera unificada, utilizando una sola vez el signo “=”, y resumirlas en una sola: Rμν -1/2 gμν R = 8πG Tμν. En la forma original en la que la escribió Einstein en su artículo, la notación (por ejemplo usaba índices latinos en lugar de griegos) y la distribución de los términos era ligeramente distinta, pero aún así, es totalmente equivalente a esta.

¿Y qué significa Rμν -1/2 gμν R = 8πG Tμν en un lenguaje que todos podamos comprender?

En lenguaje común, la nueva ecuación de Einstein relaciona dos aspectos: curvatura del espacio-tiempo ↔ Masa (energía). Por ponerlo en contexto, anteriormente la teoría de la gravedad de Newton, el mayor éxito de la revolución científica del siglo XVII, aportaba dos leyes que podemos visualizar así:

Masa → Gravedad; y

Fuerza de gravedad → Movimiento de cuerpos masivos,

donde “→” podemos leerlo como “crea”.

Es decir, una masa –por ejemplo, la Tierra– crea un campo gravitatorio, que a su vez ejerce una fuerza que controla el movimiento de otras masas, como una manzana o la Luna. Con la aportación de Einstein, la teoría de Newton se veía ahora desbancada por otra que la incluía como una aproximación solo válida para masas y velocidades relativamente pequeñas. Pero la teoría de Einstein era mucho más que un refinamiento de la de Newton: cambiaba completamente el concepto de qué es y cómo actúa la gravedad.

¿Qué diferencias hay entre la visión clásica del mundo de Newton y la relativista de Einstein?

“La eliminación de la gravedad como una fuerza ‘real’ es el elemento más revolucionario de la relatividad general”

Hay dos esenciales. Por una parte, en la formulación de Einstein desaparece la noción de gravedad, que ha sido sustituida por algo más misterioso y sugerente: la curvatura del espacio-tiempo. Y, por otra, unifica en una sola ecuación las dos leyes básicas de la teoría newtoniana. Es decir, ambas “→” quedan aunadas en una sola “↔”. Sin duda alguna, la eliminación de la gravedad como una fuerza ‘real’ y su interpretación como un ‘efecto aparente’ de la curvatura del espacio-tiempo es el elemento más revolucionario de la teoría. De esta manera, Einstein explicaba con una simplicidad pasmosa la observación de Galileo de que, en ausencia de fricción, todos los cuerpos caen al mismo ritmo: los objetos se mueven en un mismo espacio-tiempo que, al estar curvado, produce la impresión de movimiento bajo una fuerza que actúe sobre ellos.

¿Podemos visualizar el concepto de la curvatura del espacio-tiempo?

Es habitual representar sus efectos como el movimiento de canicas en una cama elástica deformada por el peso de una masa mayor. Aunque ilustrativa, esta analogía no consigue transmitir el hecho esencial de que la curvatura del espacio-tiempo apenas afecta las direcciones espaciales de la cama elástica, sino que se produce mayoritariamente en la dirección del tiempo. La teoría es demasiado rica y sutil como para dejarse capturar completamente por analogías e imágenes simplificadas.

La representación de la curvatura del espacio-tiempo como una ‘cama elástica’ presenta limitaciones. / ESA–C.Carreau

Entonces, ¿no hay forma de representar con una imagen sencilla la teoría de la relatividad?

Habría que utilizar distintas imágenes para ilustrar diferentes aspectos de la teoría, pero no hay una que lo capture todo correctamente. Lo de la cama elástica está bien, pero tiene limitaciones serias. Por ejemplo, no sirve para ilustrar ni medianamente bien lo que es un agujero negro, y da lugar a confusiones: ¿Cómo es que decimos que la curvatura es tan pequeña que no la notamos habitualmente y, sin embargo, es suficientemente grande como para que un proyectil, o la Luna, sigan una trayectoria curva en lugar de recta? Habría que explayarse mucho para explicar que nos movemos mucho más en el tiempo que en el espacio, y lo que eso conlleva.

“La teoría es demasiado rica y sutil como para dejarse capturar completamente por imágenes simplificadas”

¿Qué relaciona la relatividad general con los agujeros negros?Todo comienza en aquel mismo año 1915. En una carta fechada el 22 de diciembre, ¡nada menos que desde el frente de guerra ruso!, el astrónomo alemán Karl Schwarzschild comunicaba a un –imaginamos– atónito Einstein que había encontrado una solución extremadamente simple a sus ecuaciones. En concreto, para el caso de la curvatura (o gravedad) que crean los cuerpos masivos como el Sol, la Tierra, las estrellas y de unos objetos que ninguno de los dos vivirían para reconocer: los agujeros negros. Son pozos insondables y absolutos, más fantásticos que la más delirante creación de la imaginación humana.

¿Einstein creyó en los agujeros negros?

La predicción de la existencia de los agujeros negros que implicaba la teoría fue tan radical –aún más que la expansión del universo– que ni siquiera Einstein fue capaz de entenderla. Fue uno de sus principales errores. Solo se aceptó después, tras un largo y arduo proceso completado en los años 60, dando así un magnífico ejemplo de que las mejores teorías de la física son a menudo ‘más listas’ que sus propios creadores. Hoy en día sabemos que los agujeros negros son reales. Recientemente en la película Interstellar hemos podido ver una de las mejores representaciones de lo que las ecuaciones de Einstein pueden llegar a contener.

¿Por qué los agujeros negros también ‘enfrentan’ a la relatividad y la física cuántica?

“La próxima vez que su navegador GPS le diga que ha llegado a su destino, agradezca a Einstein sus años de intenso trabajo”

Imagina que se te cae tu móvil o tableta a un agujero negro. ¿Hay alguna posibilidad, por muy remota que sea, de que recuperemos la información que había en ellos? La teoría de Einstein nos dice que no: cuando algo ha cruzado el horizonte del agujero negro, ya no es posible recibir ninguna señal suya. Sin embargo, la mecánica cuántica nos dice que la información nunca se puede perder: se puede embrollar muchísimo (como sucede si quemamos la tableta), pero en principio siempre ha de ser posible extraerla de nuevo. Esta contradicción entre ambas teorías se conoce como la paradoja de la pérdida de información en los agujeros negros. Esperamos que los esfuerzos en intentar resolver esta cuestión nos ayuden a entender cómo unificar ambas teorías.

¿Tiene alguna aplicación práctica la relatividad general?Si todavía alguien no está suficientemente impresionado por la nueva visión del mundo que la teoría de Einstein proporciona, y pide una utilidad práctica, basta con que se deje guiar por un navegador GPS. Si este no tuviese en cuenta el efecto, pequeñísimo pero medible, que la curvatura del espacio-tiempo tiene sobre la señal que el aparato recibe de los satélites, nuestros coches acabarían en pocos minutos en la carretera equivocada. Así que la próxima vez que su navegador le diga “ha llegado a su destino” y no se encuentre en el fondo de un barranco o empotrado contra un muro, piense por un instante que eso de la curvatura del espacio-tiempo debe de tener algo de cierto. Agradezca a Einstein los años de intenso trabajo que dedicó a entenderlo, y celebre su culminación en una teoría tan magnífica.

SINC

Científicos de trece países lanzan un proyecto que buscará pruebas de una teoría de unificación de la física

La detección de 28 partículas fantasma inicia una nueva era en la exploración espacial

Para responder a preguntas esenciales como por qué existimos o cómo es la naturaleza del universo, hace tiempo que no bastan las cabezas privilegiadas de un puñado de filósofos. En la actualidad, algunas de las máquinas más sofisticadas jamás construidas se dedican a recabar información para poder contestar a estas cuestiones profundas con algo más que especulaciones. El más famoso de estos artefactos es el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, el acelerador de partículas de 6.000 millones de euros construido junto a Ginebra (Suiza) que capturó el bosón de Higgs, pero existen otras con objetivos igual de ambiciosos.

Desde hace más de dos décadas, los neutrinos se convirtieron en los peculiares mensajeros elegidos por Japón para obtener información sobre algunos de los mayores enigmas del cosmos. Estas partículas no tienen carga eléctrica e interactúan tan poco con el resto de la materia que podrían atravesar un bloque de plomo de más de un año luz de grosor. Con esas características son capaces de viajar grandes distancias sin verse afectados por los campos magnéticos galácticos que desvían a otras partículas cargadas como las que componen los rayos cósmicos. Por eso es más fácil determinar su origen y ya se consideran una herramienta útil para estudiar monstruos espaciales como las supernovas o los agujeros negros. Pero esa es solo una de las posibilidades que ofrecen los neutrinos, unos fantasmas subatómicos que desde hace décadas han proporcionado resultados asombrosos.

A principios de los 80, en la mina de Kamioka, a un kilómetro bajo Tierra, se construyó el Observatorio Subterráneo de Kamioka. El primer gran experimento que se instaló allí no buscaba neutrinos. Protegido por metros de roca que filtran los rayos cósmicos que constantemente bombardean la Tierra y provocan interferencias en los detectores más sensibles, esta construcción buscaba observar algo nunca visto: la desintegración de un protón, una de las partículas fundamentales que componen toda la materia que nos rodea. La materia es estable, en parte, porque los protones son estables, pero se cree que esto no ha sido así siempre. Observar a un protón desintegrándose sería como viajar a un tiempo antiquísimo, cuando el universo aún estaba muy caliente, y sería la prueba de que, a muy altas energías, las tres interacciones fundamentales que ahora se conocen (nuclear débil, responsable de la radiactividad, nuclear fuerte, que mantiene los núcleos atómicos unidos, y electromagnética) serían una sola.

Hyper Kamiokande tratará de observar la desintegración del protón, un fenómeno nunca visto

La tarea no era sencilla. Un protón tiene una vida media mayor de 1034 años y ponerse a vigilar a uno solo esperando que se desintegre era una tarea demencial. Para incrementar la probabilidad de capturar este extraño fenómeno sin tener que esperar hasta el fin de los tiempos, era necesario reunir una cantidad ingente de protones. La forma más fácil y barata de lograrlo era construir un gran tanque de agua, que, como toda la materia, está compuesta por un montón de protones, y colocar a su alrededor detectores de luz que pudiesen recoger la desintegración. Ese proyecto fue bautizado como KamiokaNDE.

Proyecto del detector Hyper Kamiokande. El depósito de un millón de litros de agua tendrá 247,5 metros de largo por 48 metros de largo y 54 de alto. Estará situado a una profundidad de casi 1.000 metros en una antigua mina. / Hyper-Kamiokande

El filtro de roca que cubría la mina de Kamioka protegió el experimento de los rayos cósmicos, pero tenía poco que hacer frente a los fantasmagóricos neutrinos, y estas partículas imparables se colaron en KamiokaNDE. Sin embargo, en lugar de malograr sus resultados, les dieron un nuevo sentido. El proyecto nunca logró detectar la desintegración de un protón, pero obtuvo un resultado fascinante. “En 1987, se produjo una supernova en la Nube de Magallanes, una galaxia vecina a la nuestra relativamente cercana a la Tierra”, explica Luis Labarga, director del departamento de física teórica de la UAM y especialista en neutrinos. “Los detectores de KamiokaNDE observaron un flujo de neutrinos claramente fuera de lo normal y al analizar la procedencia de estas partículas entrantes vieron que llegaban desde la Nube de Magallanes, donde se había visto la supernova”, continúa Labarga.

Hasta hace muy poco, aquellos habían sido los primeros neutrinos originados fuera del Sistema Solar observados en la Tierra. Fue el descubrimiento de una nueva herramienta para estudiar algunos de los fenómenos más violentos del universo y por este hallazgo Masatoshi Koshiba, director de los experimentos en Kamioka, recibió el Nobel de Física en 2002.

Observar a un protón desintegrándose sería como viajar a un tiempo antiquísimo, cuando el universo aún estaba muy caliente

Después de aquel éxito, la apuesta japonesa por aquel observatorio se incrementó. En los 90 se construyó un nuevo detector, Super Kamiokande, que trataría de comprobar si los neutrinos oscilan y cambian de sabor cuando viajan a través del espacio. Este fenómeno explicaría una discrepancia entre los neutrinos que se calculaba que debían producirse en el sol y los que llegaban a la Tierra y permitiría concluir que, frente a lo que se pensaba hasta entonces, los neutrinos tienen masa. Para llevar a cabo este experimento, se construyó un tanque descomunal, de 45 metros de diámetro por 45 metros de altura, que se llenó con 50.000 toneladas de agua pura. Como en el caso anterior, Super Kamiokande cumplió su objetivo y ahora se conoce que los neutrinos tienen masa, otro triunfo que podría llegar a merecer un Nobel.

A finales de enero, se ha anunciado un nuevo reto para la física de partículas. Un grupo internacional de científicos de 13 países, entre los que se encuentra Luis Labarga como líder del proyecto en España, quiere poner en marcha Hyper Kamiokande. Este proyecto, que tiene un presupuesto estimado de alrededor de 800 millones de dólares, supone construir un observatorio 20 veces mayor que Super Kamiokande, con un millón de toneladas de agua. A su alrededor, se colocarán 100.000 receptores de luz ultrasensibles, un 50% más que los del observatorio anterior. Toda esta tecnología servirá, en parte, para volver a intentar un logro que no fue posible hace casi tres décadas: detectar la desintegración de un protón.

"Más importante que el higgs"

“La comunidad científica se ha olvidado un poco de la desintegración del protón, pero en el momento en que se descubra, se revolucionará la física porque eso significaría que a altas energías se unifican todas las fuerzas”, plantea Labarga. “Lo que se recoge en el Modelo Estándar [el marco que mejor sirve para explicar el funcionamiento de la materia hasta ahora] es una degeneración de una interacción fundamental a alta energía”, añade. “La observación de la desintegración del protón sería más importante que la observación del bosón de Higgs”, sugiere. Además de permitir echar un vistazo al universo en su origen, esta observación ofrecerá una idea sobre cómo será su final. Con los ladrillos básicos que componen la materia desintegrándose en positrones y rayos gamma, la radiación acabaría haciéndose con el cosmos.

Este epílogo radiactivo sería, de alguna manera, el final diferido de algo que pudo haber sucedido mucho antes. Según las teorías físicas más aceptadas, después del Big Bang se creó una cantidad idéntica de materia y de antimateria. Cada vez que una partícula de un bando entraba en contacto con una del otro, ambas se desintegraban en un gran estallido que solo dejaba tras de sí radiación. Sin embargo, como resulta evidente hoy, en los primeros instantes de existencia del universo, se produjo un pequeño desequilibrio que acabó dando una victoria casi absoluta a la materia.

Una de las maneras en que se puede estudiar la rotura de este equilibrio, conocido como CP, es midiendo aspectos muy precisos de las oscilaciones de los neutrinos. Para detectar esas interacciones, se lanzaría un rayo de estas partículas de alta intensidad desde el acelerador J-PARC, a 300 kilómetros de distancia de Kamioka, que se analizaría a su llegada en el gigantesco detector de Hyper Kamiokande. “Esa violación de CP es esencial para entender la asimetría que hoy vemos que existe entre materia y antimateria”, apunta Labarga.

Para aspirar a resolver estos enigmas, los científicos japoneses y los del resto de países implicados en el proyecto deberán utilizar todos sus encantos para convencer a sus gobiernos de que la búsqueda merece los cientos de millones que tratan de reunir. El pasado 31 de diciembre, en la ciudad de Kashiwa, se produjo la primera reunión para empezar con el trabajo, que se prolongará durante los próximos tres años. Si tienen éxito, en 2025 Hyper Kamiokande podrá empezar a recabar información con la que entender un poco mejor el universo en que vivimos.

ELPAIS

El LHC vuelve con casi el doble de energía

Se han utilizado metáforas de todo tipo para explicar el bosón de Higgs. La imagen de Margaret Thatcher atravesando la Cámara de los Lores como si una partícula cruzase el campo de Higgs usada por el profesor David Miller; el clásico ejemplo de una pelota de ping pong y otra de tenis rodando sobre una cubeta con arena de playa y tantos otros... pero no es sencillo para el gran público entender las implicaciones del último gran descubrimiento de la Física realizado en el LHC de Ginebra. En la biografía de Richard Feynman escrita por James Gleick -'Genius, the life and science of Richard Feynman' (Vintage books)- el autor cuenta la respuesta que el genio y ganador del Premio Nobel de Física en 1965 le dio a un reportero cuando le pidió que explicase en 30 segundos la importancia de sus investigaciones merecedoras del galardón de la Academia Sueca. Feynman respondió que, si eso fuese posible, su trabajo no tendría mérito.

Y, según relata el físico de partículas de la Universidad de Oxford Frank Close en su obra 'The infinity puzzle' (Oxford University Press) , él mismo utilizó ese mismo ejemplo en 1993 para sugerirle por carta al entonces ministro de Ciencia de Reino Unido, Hon William Waldegrave, que no es sencillo explicar «las más profundas ideas en las fronteras del conocimiento científico en una única cara de un folio din A4». Como incentivo, el ministro ofreció una botella de champán añejo a aquel científico que ofreciese la mejor explicación sobre el objetivo y la utilidad que tendría el LHC. «Como respuesta yo podría lanzarle un reto similar relacionado con el Tratado de Maastricht», terminaba la misiva del profesor Close.

Finalmente, tanto el ministro como el Gobierno británico terminaron convenciéndose de la conveniencia de aportar la financiación necesaria para poner en marcha el LHC gracias a la zanahoria que suponía el hecho de que Peter Higgs fuese británico y, por tanto, que si se encontraba la escurridiza partícula que lleva su nombre, le conduciría de forma inequívoca hacia el Premio Nobel, tal y como ocurrió en 2013, un año después del hallazgo del bosón de Higgs en el LHC.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) del Laboratorio Europeo de Partículas (CERN) de Ginebra comenzará en pocas semanas -a lo largo del mes de marzo- a inyectar de nuevo, tras más de dos años de parón, los primeros protones en el anillo subterráneo de 27 kilómetros. La parada fue programada para aumentar la energía del acelerador hasta casi el doble -de 7 TeV a 13 TeV- de la que permitió realizar el descubrimiento del bosón de Higgs que le valió el Premio Príncipe de Asturias al CERN junto con Peter Higgs y Francois Englert y el Nobel a estos dos últimos.

Un técnico en el LHC durante la parada para aumentar de energía. CERN

Algo parecido a lo que contaba el profesor Close en su carta le ocurre a la mayoría de los científicos cuando se les pregunta qué nos espera en esta nueva era de la Física de partículas que se inicia en 2015. No es fácil explicar lo que se podría descubrir tras el aumento de energía porque nos abrirá las puertas hacia lo desconocido, hacia una nueva Física.

«Si todo esto sale bien, habremos cumplido el cometido los gestores de la máquina subiendo la energía hasta 13 TeV y podremos empezar a producir física», explica a este diario Rolf Heuer, director general del CERN hasta que le sustituya la ya nombrada Fabiola Gianotti en enero de 2016. «¿Qué puede salir de ahí? No lo sé», confiesa Heuer.

Quizá el primer descubrimiento que se espera realizar tiene mucho que ver con la anterior época del LHC y es que se podrá avanzar en la descripción del bosón de Higgs para saber si definitivamente se trata del bosón de Higgs que completaría el Modelo Estándar que rige la Física actual o de otro que podría apoyar teorías que predicen la existencia de varios bosones de Higgs, como la Supersimetría, por ejemplo. «Esta nueva partícula puede que esconda muchas puertas cerradas que pueden ser abiertas hacia una nueva Física, a una mejor comprensión del Modelo Estándar... pero también más allá del Modelo Estándar», asegura Rolf Heuer.

El solo hecho de esclarecer si la partícula hallada en junio de 2012 y anunciada a bombo y platillo como la última pieza que faltaba para completar el modelo que describe los pilares que soportan el edificio del Universo es ya un hallazgo clave para la comunidad física. «Antes el objetivo estaba muy claro: encontrar el bosón de Higgs o demostrar que no existía. Ahora está menos claro lo que se puede descubrir en el futuro. Pero siempre que hemos aumentado la energía lo suficiente hemos encontrado una sorpresa», opina Álvaro de Rújula, físico teórico del CERN y del Instituto de Física Teórica del CSIC y la Universidad Autónoma. «Aunque no es obvio que duplicar la energía sea esta vez suficiente para encontrar algo nuevo, saber que no lo es también sería una novedad importante. Se hace camino al andar», asegura el investigador.

Un descubrimiento muy rápido

El bosón de Higgs era el objetivo científico principal que hizo posible la cooperación internacional para la construcción de un gran acelerador de partículas como el LHC. Y el hecho de que el hallazgo de la partícula predicha por Peter Higgs, junto con otros cinco físicos entre los que estaba Englert, se produjo a una velocidad enorme, apenas cuatro años después de la puesta en marcha de la máquina. La gran sacudida mediática que supuso el hallazgo del bosón ha situado al LHC en el punto de mira no sólo de la comunidad científica, sino también del gran público. Pero, según los expertos, los próximos descubrimientos no se producirán tan rápido. Habrá que ser pacientes. «El aumento de energía nos dirá muchas cosas sobre lo que hay más allá del Modelo Estándar. Pero no lo hará el año próximo ni en 2016 y probablemente tampoco 2017. Lo hará más tarde», afirma Heuer.

No obstante, y aunque apenas ningún físico sea capaz de aventurar lo que se encontrará en la próxima ronda de colisiones de protones, las ventanas que se abren ante la ciencia en 2015 son muy atractivas. «Podemos avanzar en el conocimiento de la masa oscura, decir algo más concreto es arriesgado», dice De Rújula. Pero la simple posibilidad de avanzar en el conocimiento de la materia que forma el 25% del Universo -la materia que conocemos y que forma la Tierra, las estrellas o a nosotros mismos supone tan sólo el 5%- ya es decir mucho.

El propio director del CERN asegura que funcionar a una energía mayor aumenta el potencial de hacer un descubrimiento y de encontrar nuevas partículas más pesadas que las que se producían cuando la máquina tenía 7 u 8 TeV. «Y eso sería genial. Porque cada nueva partícula que descubramos, puede abrir la puerta hacia el Universo oscuro», explica Rolf Heuer. Sin embargo, el LHC no tiene la exclusividad de la Física del futuro. «Es bien posible que encontremos la materia oscura en un laboratorio subterráneo en lugar de en el LHC», dice De Rújula.

Otro de los grandes enigmas del Cosmos más desconocido es la llamada energía oscura, que forma el 70% restante y de la que los físicos apenas conocen ni su naturaleza. Pero, a pesar de que lo oscuro supone el 95% del Universo, la Física aún no puede explicar ni siquiera qué compone esta enigmática materia, y mucho menos qué hay detrás de la energía oscura. «Estoy convencido de que no permitirá conocer más de la energía oscura, pero espero equivocarme. La naturaleza de la energía oscura es lo que más oscuro tenemos», asegura Álvaro de Rújula.

En 2015, arranca una nueva era para la Física que dejará en casi un juego de niños las teorías del Universo que podemos explicar en la actualidad. «Los modelos que conocemos son los modelos fáciles, los que yo puedo entender. Pero los que hay en lo desconocido son mucho más difíciles, más complicados de entender para mí», reconoce el director del CERN, Rolf Heuer.

ELMUNDO

Un ensayo histórico de Philip Ball desvela cómo figuras tan fundamentales de la Física como Max Planck, Werner Heisenberg y Peter Debye se convirtieron en títeres del Tercer Reich

Einstein no sólo lo vio venir. También se lo pusieron fácil (pónganse aquí mil comillas) porque era judío y, en cierto modo, no tuvo que elegir. Cuando Hitler llegó a la Cancillería en enero de 1933, el Nobel de Física se encontraba de visita en el California Institute of Technology; dos meses después anunció que no regresaría a Alemania mientras no se restituyesen «la libertad civil, la tolerancia y la igualdad ante la ley».

Desde Oxford envió, a través de Max Born, una admonición a sus colegas físicos: «Nunca he tenido una opinión particularmente favorable de los alemanes (ni en lo moral ni en lo político). Pero debo confesar que su grado de brutalidad y su cobardía me han sorprendido un poco». No solo se refería a los nazis sino a sus antiguos amigos y compañeros de profesión, para quienes la huida de Einstein era curiosamente un acto de traición.

Philip Ball, físico, químico y destacado divulgador científico británico, explica en su libro más reciente, Al servicio del Reich. La física en tiempos de Hitler (Turner), las razones de que este mundo al revés fuera posible bajo un régimen que, ya en un comienzo, excluía a los judíos de la plena ciudadanía. Los físicos que se quedaron en Alemania -comenzando por su patriarca, Max Planck- creían en general que debía aceptarse la discriminación antisemita a fin de que ésta no se recrudeciese.

Como millones de conciudadanos, se oponían al Gobierno de Weimar y se sentían humillados por las indemnizaciones de guerra decretadas por la paz de Versalles. Y en cuanto hombres de ciencia, reconquistar el prestigio nacional de sus respectivas disciplinas devino para ellos un empeño obsesivo tras la humillación de la guerra.

Antes incluso de que Hitler se hiciera con el poder, consideraban «antipatriótico y de mal gusto» el internacionalismo de Einstein, quien concebía la ciencia como «una empresa sin fronteras e independiente de nuestro credo o país». Einstein «jugaba a la política» mientras que ellos eran, en tanto científicos, ajenos a ella. Pronto se vio cómo no tomar partido suele ser la forma más rápida e indeseada de tomarlo.

Para complicarlo todo, explica perspicazmente Ball, la teoría cuántica -mal entendida y revestida de un halo cuasimístico- empezaba a parecerse mucho al arte abstracto y a la música atonal -el famoso «arte degenerado» acuñado por los nazis- y a convertirse ella misma en «ciencia degenerada», enferma de los mismos males de la era de Weimar: «el comercialismo, la avaricia y la invasión de la tecnología». De todo eso eran culpables, cómo no, los judíos.

Equipo de alto voltaje montado por Debye en 1935 y confiscado por los nazis. TURNER NOEMA

La Ley de Servicio Público, de abril de 1933, suponía la separación de sus puestos de uno de cada cuatro físicos por ser no arios, entre ellos Max Born, James Franck, Lise Meitner o Einstein. La Universidad de Gotinga, joya de la física matemática alemana, quedó diezmada. Franck, por cierto, se exilió en Chicago y participó decisivamente en el Proyecto Manhattan de los aliados.

¿Qué hacían los físicos arios entre tanto? Es cierto que muy pocos, aclara Philip Ball, militaron en la administración nazi, «pero también fueron pocos los que se le opusieron de forma de forma activa», presos -en palabras de Ian Kershaw- de una «letal indiferencia» cuando se inició la persecución de los judíos.

Además del miedo a las represalias, además del deseo de no ver, otras dos razones explican aquel silencio cómplice: un excesivo sentido utilitario (protestar no serviría para nada y empeoraría las cosas) y la devoción, que en no pocos casos ocultaba una ilimitada soberbia personal, al bien sacrosanto de la ciencia y al estatus de la ciencia alemana en particular. Súmese a esto un innegable antisemitismo de fondo: cuando un científico escondía o ayudaba a un colega judío, lo hacía por ser colega y no por ser judío.

Max Planck, padre de la teoría cuántica y hombre apegado ciegamente al decoro y el respeto a la autoridad, llegó a verse con Hitler para interceder por Fritz Haber, pero ante todo buscando un pacto. «Si acatamos las leyes, ustedes nos dejarán en paz», vino a ser el arreglo, y de hecho la financiación era estatal en la KWG (Instituto Káiser Guillermo para el Avance de la Ciencia). Menos mal que «ninguno de los líderes nazis tenía idea de para qué podía usarse la ciencia». Todavía.

A Planck lo paralizaba la posibilidad de protestar contra las leyes cuando son ilegales, vale decir flagrantemente injustas, y prefería contemporizar, comportarse «como un árbol contra el viento». Werner Heisenberg, el físico más dotado de su generación, compartía ese criterio. En 1935 firmó el obligatorio juramento de lealtad al Führer, lo mismo que Peter Debye, director del Instituto Káiser Guillermo de Física (KWIP).

Según Mark Walker, «frente a la opción de poner en peligro la academia o tolerar la purga racista, los científicos entregaron su independencia y se volvieron cómplices» de ella. «Ningún científico no ario renunció como protesta». En 1934 la correspondencia académica adoptó el Heil Hitler a modo de despedida, luego llegó la elección de miembros del partido y, para 1938, una institución científica hasta entonces seria pasó a ser «un órgano del estado nazi». La docilidad de Planck, «hombre inflexible pero fundamentalmente decente y honesto» -escribe Ball-, no había servido de nada.

El divulgador inglés concluye que «esta historia desmantela el confortable mito de la ciencia como aislante contra la irracionalidad y el extremismo» que se enseñoreó de todo en Alemania. Los libros de Einstein ardían en las piras de las asociaciones de estudiantes nazis y un ejército de físicos partidarios de Hitler, encabezados por Philipp Lenard y Johannes Stark, denigraban la teoría de la relatividad y todo lo que les oliera a física judía.

Max von Laue fue sin duda uno de los más valientes entre los físicos arios, aunque reprochaba a Einstein su actitud política, que éste llamaba más bien «humana». No escondía su antipatía hacia los nazis, y se decía que siempre salía a la calle con un paquete debajo de cada brazo para no hacer el saludo hitleriano.

Peter Debye fue seguramente el más ambiguo. Pronazi según algunos, otros le atribuyen haber advertido a los aliados de la amenaza nuclear que se gestaba en Berlín a partir de que los jerarcas nazis supieron (hacia abril de 1939) del potencial que albergaba el núcleo del uranio. En agosto del mismo año, Einstein, Teller y Szilárd anunciaron al presidente Roosevelt que era factible producir una bomba nuclear.

Lo cierto es que Debye ayudó a huir a la física judía Lise Meitner, pero también que -según Ball- dejó Alemania cuando se decretó la militarización del KWIP no por «la naturaleza de los trabajos que iban a emprenderse allí» sino seguramente por su orgullo herido y porque se le obligada a nacionalizarse alemán (era holandés). Refugiado en EEUU, Debye despertaba tantas suspicacias que, para cuando el FBI lo investigó y las autoridades decidieron si le permitían intervenir en el programa nuclear americano, en abril de 1944, ya casi no importaba. Heisenberg, atacado en principio por Lenard y Starck, recurrió al mismísimo Himmler para «limpiar su nombre» y luego fue deslizándose progresivamente hacia más «claudicaciones y concesiones al régimen». Éste, que ya confiaba (aunque no demasiado) en el poder militar que ofrecía la energía nuclear, lo puso al frente del segundo Uranverein (Club Uranio), y él se dedicó durante la guerra a ejercer de embajador de la cultura alemana en territorios ocupados por Hitler.

Philip Ball asegura que ni los nazis ni los físicos alemanes creyeron que la construcción de la bomba atómica fuera factible antes de terminar la guerra, y de hecho el régimen dotó de más recursos al programa de cohetes de Wernher von Braun. Ciego de soberbia, Heisenberg no asumió nunca que los americanos les llevaban la delantera e incluso, tras tener noticia de Hiroshima, pretendió convencer al mundo de que él había saboteado la bomba alemana. Lo cierto es que ni él ni sus colegas -acaso equivocados en el cálculo de la masa crítica necesaria para provocar una reacción nuclear en cadena- fueron capaces ni siquiera de lograr un reactor que funcionase.

En una época normal, los de Planck, Debye y Heisenberg habrían sido «defectos menores en una naturaleza esencialmente decente», escribe Ball. Su desgracia fue que el tiempo de Hitler estaba trágicamente necesitado de héroes.

LAS CITAS Y EL LADO OSCURO DEL GENIO

Alice Calaprice, reconocida especialista en Einstein, ha completado el que se considera, al menos de momento, El libro definitivo de citas del gran físico teórico, que en España publica Plataforma Editorial. A diferencia de la antología publicada por Helen Dukas, secretaria y archivera de Einstein, la de Calaprice no se limita al gran hombre pletórico de buenos sentimientos y magnanimidad, sino que también muestra -sin enfatizarlo- su lado oscuro, egoísta o sencillamente equivocado en diversas cuestiones. En esta versión del Libro definitivo que añade al anterior unas 400 citas y las eleva hasta las 1.600, encontramos al Einstein pacifista, internacionalista, creyente «en el Dios de Spinoza» (no en un Dios personal), vegetariano a la fuerza -por problemas gástricos- y, por supuesto, divulgador aventajado de su teoría de la relatividad. Podía explicarla de forma canónica, mejor que nadie, pero también muy jocosamente: «Una hora sentado con una chica en un banco del parque pasa como un minuto, pero un minuto sentado sobre una estufa caliente parece una hora». La parte menos ejemplar de Einstein queda a la vista en sus descalificaciones de Mileva, su primera esposa, en el bloqueo que le hacía difícil incluso cartearse con su hijo Eduard, enfermo de esquizofrenia, en sus opiniones -que hoy consideraríamos sencillamente machistas- sobre la valía de las mujeres y acaso también en su visión cáustica de la vida en pareja: «El matrimonio es el intento fracasado de conseguir que algo dure a partir de un accidente». Sus colegas alemanes tan satisfechos de ser apolíticos deberían haber entendido lo que escribió a propósito de la oposición de Pau Casals al régimen de Franco: «El mundo está más amenazado por los que toleran el mal o lo apoyan que por los propios malvados»

ELMUNDO.es

Hace unos días el Premio Nobel de Física 2012, el Prof. Serge Haroche, del College de France, impartió una lección magistral sobre algunas cuestiones pendientes de la mecánica cuántica. El Prof. Haroche hace física: Mide. Mientras cientos o miles de investigadores nominalmente físicos se meten a fondo en teorías místicas (inmedibles) como los multiversos, o espacios de 10 elevado a 10 elevado a 10 elevado ... variables, parámetros y dimensiones, diseñados explícitamente como inhábiles para ser medidos, Haroche hace lo que que hay que hacer en física: Validar o rechazar las predicciones de la teoría mediante experimentos repetidos.

Esta es la ciencia, al revés que el misticismo y los diversos dogmas que han pululado por el planeta en el tiempo y en el espacio. Lo que afirma la ciencia es válido sí y solo si se comprueba y valida en el laboratorio, en experimentos repetidos. Ningún dogma ha sido capaz de probar sus afirmaciones mediante experimentos, ni siquiera mediante experiencias aisladas. Las visiones de los místicos quedan dentro de sus mentes, y no son susceptibles de ser compartidas públicamente.

¿Cual es la ciencia que ha validado Haroche (y otros muchísimos desde 1930)? La mecánica del siglo XIX, inexplicablemente, suponía que una de las propiedades básicas de los entes naturales, la energía, se intercambiaba en las interacciones entre ellos de manera continua. A finales de ese siglo, Boltzmann, en Austria, propuso lo contrario: Intercambios discretos. Planck, un líder de la física oficial en Berlín se negó durante años a aceptar esa propuesta (Boltzmann terminó suicidándose, deprimido por el rechazo continuo de sus colegas) pero los dictados del laboratorio son inapelables: En 1900 propuso la hipótesis de los intercambios cuánticos de energía entre las paredes de una cavidad ennegrecida y la radiación electromagnética introducida en ella. Esa hipótesis explicaba perfectamente las medidas realizadas por una serie de físicos experimentales durante una década. Einstein, en 1905, explicó satisfactoriamente porque una luz muy intensa, pero roja, no conseguía sacar electrones de las órbitas atómicas y pasarlos a la banda de conducción de los metales, mientras que una luz débil, pero azul, o violeta lo conseguía sin el menor problema. La interacción entre la luz y los electrones dependía de forma discreta de la frecuencia de aquella y no de la intensidad de la misma.

La interacción entre radiación electromagnética y materia estaba cuantizada. Un tiempo después Bohr propuso que las órbitas de los electrones también debían estarlo, pues las energía liberadas en los saltos entre ellas tenían valores solo discretos. Esto, que le parecía a Bohr algo muy de los átomos es la realidad en cualquier sistema planetario, y los planetas del sistema solar y de otros sistemas estelares describen órbitas que no se disponen arbitrariamente en el espacio. No saltan de órbita pues las energías para ello son inmensas y no las hay disponibles, pero son órbitas cuánticas.

Los físicos de esos años, entre 1900 y digamos la II Guerra Mundial desarrollaron sus ideas sin darse cuenta de lo más importante de los fenómenos que analizaban: las magnitudes de las energías y los tamaños de las ondas que las propagaban relativas a los objetos con los que esas ondas interaccionaban. Los fenómenos de la naturaleza a nivel atómico son muy distintos de aquellos a nivel digamos, humano, debido exclusivamente a esa diferencia o similitud de las magnitudes energéticas en juego. La física atómica no es más rara que la física macroscópica cuanto se toman bien en cuenta los tamaños y magnitudes energéticas.

Hagámoslo. Para ver (medir) átomos y electrones, tenemos que hacerlos interaccionar con otros, y los resultados traducirlos a resultados macroscópicos. O iluminarlos con la luz adecuada para verlos. Pero los átomos son muy pequeños, y los electrones muchísimo más. Si los tratamos de ver mediante ondas largas, desaparecen dentro de ellas. Y si lo hacemos con ondas tan pequeñas como ellos estas ondas tienen tanta energía que cambian las posiciones, cantidades de movimiento y energías de lo que queremos ver, y lo que vemos ya no es eso, sino otras cosas generalmente aleatorias. Haroche vé átomos, pero átomos muy grandes. Analizaremos esto en otro post dentro de unos dias.

El universo, la naturaleza, tiene límites. No tenemos herramientas pequeñas y de baja energía, lo mismo que no hay fuentes de energía lo suficientemente grandes y cercanas a los sistemas solares como para hacer saltar de órbita a los planetas.

La física macroscópica del siglo XIX era una física muy limitadita a algunos sistemas muy sencillos, lineales, de interacciones instantáneas. Y aún así se enfrentó con problemas que no era capaz de resolver: la entropía, la turbulencia de los fluidos, la radiación de las antenas de radio muy cerca de las mismas. Con esos problemas en su haber, se arrogaba (y Einstein, un físico revolucionario, pero formado en ese siglo XIX, también) el derecho de asignar a otras escalas (microscópicas y galácticas) algunas de las propiedades solo válidas para las escalas humanas.

Estas limitaciones mentales aparecen incluso en un físico como Haroche. Pablo Jáuregi le pregunta si el mundo cuántico es imprevisible, en la edición de Orbyt de El Mundo del 15/03/14, y él responde '' hemos demostrado que las leyes deterministas de la física , ..., ya no son válidas. .... La física cuántica invalida la idea de la predicción exacta...". Pero aquí, o Haroche no ha leído suficientemente física, o está hablando de otras cosas.

La física clásica no es determinista en general, solo lo es para sistemas muy simples, tan simples que no son naturales sino máquinas construidas por los seres humanos para que cumplan esa condición. El mejor ejemplo son los relojes mecánicos, de péndulo o de muñeca, y aún estos se rompen a veces de manera no determinista. La mecánica cuántica no es más indeterminista que la clásica, salvo que a nivel cuántico no es posible eliminar las interacciones entre sistemas (en la realidad, porque en el formalismo si se hace, y aquí hay un buen escollo no resuelto hasta hoy) y a nivel humano es posible hacerlo en esas máquinas no naturales. Pero la física quiere decir 'naturaleza', de manera que es dudoso que las leyes de las máquinas deterministas sean las ''leyes de la física''.

En la naturaleza los objetos cambian constantemente los valores de sus variables: Nunca se encuentran en ningún -estado-. Esto de los -estados- (una concepción -estática- derivada de las ideas del siglo XIX) es una herencia de hace mas de 100 años que permanece en el lenguaje de la mecánica cuántica y permea hasta las ideas místicas de las supercuerdas, como permaneció y permeó la irrelevancia del -éter- hasta que Einstein, como la niña del emperador desnudo, indicó que carecía de significado y era inútil.

Las variables (posición, velocidad, energía, intensidad del campo eléctrico, del campo gravitatorio, entropía) varían constantemente, y se intercambian en las interacciones. Los sistemas no tienen -estados- sino que vuelan cambiando constantemente sus variables.

Las imágenes de interferencias que producen electrones individuales al pasar por un bi-prisma son las interacciones de cargas eléctricas entre sí en disposiciones geométricas peculiares, y para esas imagenes de interferencia no se necesita que los electrones -sean- ondas, basta conque interaccionen de la manera adecuada con las placas del bi-prisma.

La naturaleza a nivel atómico es esencialmente aleatoria, pues es imposible aislar los átomos y los electrones de interacciones con millones de otras partículas. La naturaleza a nivel macroscópico nos parece menos aleatoria, porque la hemos controlado en el sentido de acercarla hacia el comportamiento de las máquinas. Pero el sistema planetario al que pertenece la Tierra, en su escala propia de millones de años, es aleatorio, y un sistema de tres soles de masas similares es impredecible a cualquier escala temporal, lo mismo que algo tan simple y casero como un péndulo colgado de otro de longitud distinta.

A los seres humanos nos asusta la incertidumbre y en vez de asumirla y adaptarnos a ella para sacar los máximos beneficios, nos empeñamos en cambiar la naturaleza para tratar de hacerla cierta. Fracasamos constantemente. Se nos dice que la mecánica cuántica es muy -rara-, porque querríamos que fuera como la mecánica de un reloj de escape y engranajes. Pero la física real, la naturaleza sin domesticar por el ser humano, es -rara- a todos los niveles, desde los protones a los átomos a las moléculas a las células a los seres vivos, planetas, sistemas solares, galaxias y el mismo universo.

En esa -rareza- está la belleza y el encanto de la ciencia, y la dignidad que proporciona la libertad que la incertidumbre genera. Menos mal que la naturaleza, la física, es incierta. Si fuese determinista, desde el nacimiento a la muerte nuestra vida estaría determinada: Si estuviese determinado que fuésemos esclavos desde nuestro nacimiento, jamás podríamos salir de esa esclavitud.

La incertidumbre da la libertad, la dignidad, la belleza. Y la naturaleza, la física es, a todos los niveles, incierta.

ELMUNDO.es

El tema es la medida la velocidad de los neutrinos y en concreto de las medidas obtenidas por el experimento MINOS en 2007 y 2012. Muchos recordarán la medida obtenida por OPERA en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso en septiembre de 2011 que afirmó que los neutrinos muónicos eran superlumínicos. Al final se descubrió la existencia de un error sistemático, cuya corrección permitía salvar todos los datos ya recabados, pero además se logró financiación para realizar nuevos experimentos en Gran Sasso. MINOS (en EEUU) y T2K (Tokai to Kamioka, en Japón) también consiguieron financiación para hacer lo propio. Un resultado overhype (sobrevalorado) permite recabar financiación para investigar en temas muy interesantes.

En mi blog recomiendo leer “No hay mal (para OPERA) que por bien no venga (para MINOS),” 25 Abr 2012, “Con los GPS en el frigorífico para medir la velocidad de los neutrinos en MINOS,” 14 Jun 2012, ” y “MINOS mide la velocidad de los neutrinos muónicos,” 12 Abr 2013. También recomiendo “La medida correcta de la velocidad de los neutrinos de OPERA en 2011 y los nuevos resultados de 2012,” 8 Jun 2012.

Los interesados en artículos técnicos disfrutarán con P. Adamson, “Neutrino Velocity: Results and prospects of experiments at beamlines other than CNGS,” Nuclear Physics B, Proceedings Supplements 235–236: 296–300, Feb–Mar 2013 [free pdf], y P. Adamson et al., “Measurement of the Velocity of the Neutrino with MINOS,” FERMILAB-CONF-12-666-AD, 15 Mar 2012. Además de Floyd W. Stecker, “Constraining Superluminal Electron and Neutrino Velocities using the 2010 Crab Nebula Flare and the IceCube PeV Neutrino Events,” arXiv:1306.6095 [hep-ph], 25 Jun 2013.

Para los interesados en otros artículos citados en el podcast: J. Alspector et al., “Experimental Comparison of Neutrino and Muon Velocities,” Phys. Rev. Lett. 36: 837–840, 1976; MINOS Collaboration, “A Search for Lorentz Invariance and CPT Violation with the MINOS Far Detector,” Phys. Rev. Lett. 105: 151601, 2010, arXiv:1007.2791 [hep-ex]; MINOS Collaboration, “Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam,” Phys.Rev. D 76: 072005, 2007, arXiv:0706.0437 [hep-ex].

¿Por qué queremos medir la velocidad de los neutrinos? Porque una medida directa nos permitiría determinar su masa, un parámetro clave en la física de los neutrinos. Para medir la masa de los neutrinos podemos usar experimentos en laboratorio o usar medidas astrofísicas o cosmológicas. El fondo cósmico de microondas nos permite obtener una estimación de la masa combinada de todos los neutrinos, en principio tanto una cota mínima como un cota máxima. Sin embargo, la cota mínima, por ahora, no se ha podido obtener y sigue siendo cero. Para la cota máxima, las medidas del fondo cósmico de microondas publicadas por el telescopio espacial Planck en marzo de 2013 indican un valor de 0,23 eV (una masa combinada unos dos millones de veces más pequeña que la masa del electrón).

Las medidas astrofísicas de la velocidad de los neutrinos se basan en las explosiones de supernovas. En 1987 se observaron 24 neutrinos generados por la supernova SN1987A en los experimentos Kamiokande, IMB y Baksan que se recibieron en un periodo de sólo 30 segundos. Gracias a estos 24 neutrinos se estima que |v/c-1|<2 x 10^−9 para neutrinos con energías entre 10 y 40 GeV en una distancia de 168 000 años luz. Este verano se han publicado nuevos datos utilizando los neutrinos ultraenergéticos, con energía en la escala de los peta-electronvoltio (PeV), observados por Ice Cube. Utilizando la teoría de Cohen y Glashow para la radiación tipo Cherenkov se estima que |v/c-1| ≤ 3,1×10−19. También se ha utilizado los datos del telescopio espacial Fermi de rayos gamma con una energía de unos 80 GeV obtenidos en la dirección de la Nebulosa del Cangrejo, que en teoría están asociados a electrones de alta energía e implican que |v/c-1| ≤ 8×10−17. Por ahora estos valores astrofísicos de la velocidad de los neutrinos son demasiado burdos y no permiten estimar la masa de los neutrinos; por ejemplo, este resultado de Fermi es una cota superior que está a más de 5 órdenes de magnitud por encima del valor esperado y el resulado de Ice Cube está a más de 20 órdenes de magnitud por encima.

Las medidas de la velocidad de los neutrinos en laboratorio empezaron en la década de los 1970. La velocidad de los neutrinos muónicos se midió gracias al haz de neutrinos del Anillo Principal del Fermilab, en una distancia de 900 metros, comparando los tiempos de llegada de neutrinos muónicos y muones producidos por la desintegración de piones y kaones, generados en la colisión de protones contra un blanco de grafito. El valor que se obtuvo es muy malo comparado con los obtenidos con medidas astrofísicas, en concreto |v/c−1| < 4×10−5 para neutrinos con energías entre 30 y 200 GeV.

El experimento MINOS publicó su medida de la velocidad de los neutrinos en el año 2007 y la ha vuelto a publicar con nuevos datos en 2012. Pero antes de comentar su resultado, permíteme resumir como funciona. En este experimento los neutrinos muónicos se generan en el Fermilab, en Batavia, cerca de Chicago, y recorren 734 km hasta la mina de Soudan, donde se encuentra el detector de neutrinos. Los neutrinos se producen a partir de un haz de protones con una energía de 120 GeV que incide en un blanco de grafito. Esta colisión produce mesones (tanto piones como kaones) con una energía entre 5 y 15 GeV que en un pequeño túnel de vacío se desintegran (gracias a la interacción débil, vía un bosón vectorial W) en muones y neutrinos muónicos; la energía promedio de estos neutrinos muónicos es de 3 GeV, que atraviesan el interior de la corteza terrestre recorriendo los 734 km necesarios para alcanzar el detector lejano en la mina de Soudan. En 2007 se utilizó un sistema de medida de tiempos basado basado en relojes atómicos sincronizados y un sistema de GPS. Este sistema era más primitivo que el usado en el experimento OPERA de Gran Sasso. Pero para las medidas realizadas en 2012 se mejoró sustancialmente. El nuevo sistema de medida es incluso mejor que el de OPERA.

Antes de comentar el resultado obtenido conviene recordar el resultado que se espera obtener. Sabemos que los neutrinos muónicos tienen una masa menor de 0,23 eV, con lo que suponiendo una energía de 3 GeV, un cálculo relativista elemental que cualquier estudiante de física puede repetir nos dice que tras recorrer 734 km su tiempo de llegada será unos 2 attosegundos más tarde que si se movieran a la velocidad de la luz en el vacío. He dicho attosegundos, si prefieres nanosegundos, llegarán unos 0,000 000 002 nanosegundos más tarde de lo que llegaría un fotón en el vacío que recorriera la misma distancia. Como es obvio, en la actualidad es imposible medir un tiempo tan corto. En una distancia de 734 km podemos medir tiempos de nanosegundos, pero es imposible medir tiempos de picosegundos, o de femtosegundos y no digamos ya de attosegundos.

Te preguntarás por qué, si es imposible medir la masa de los neutrinos utilizando las medidas de su velocidad, porque el resultado que se puede obtener es mil millones de veces más grande que el valor que predice la teoría, ¿por qué se está tratando de medir la velocidad de los neutrinos? La razón es obvia, medir los tiempos de vuelo de partículas es muy interesante y desarrollar tecnología para hacerlo pasa por lidiar con los casos más difíciles, como el caso de los neutrinos. El experimento de la medida del tiempo de vuelo de los neutrinos se seguirá realizando durante muchas décadas, conforme vaya mejorando la tecnología de GPS y se vaya mejorando la sincronización de relojes atómicos en grandes distancias. Nadie espera que en el siglo XXI se llegue a alcanzar la precisión necesaria para determinar la masa de los neutrinos a partir de estas medidas de tiempos de vuelo. Pero los experimentos se seguirán realizando, la ciencia es así. Por ejemplo, el experimento LAGUNA, que utilizará un haz de neutrinos muónicos producido en el CERN y un detector en la mina de Pyhasälmi en Finlandia, a una distancia de 2300 km. Pasar de 734 km a 2300 km no mejora mucho la precisión, pero además se mejorarán las técnicas de medida y quizás se alcance la precisión de décimas de nanómetros.

Volviendo al experimento MINOS, las medidas de tiempos de vuelo tienen muchas fuentes de error. Por ejemplo, el error introducido porque no sabemos el punto exacto donde se emiten los neutrinos en el tubo de vacío de 675 metros se estima en 100 picosegundos, es decir, 0,1 nanosegundos. O por ejemplo, el error sistemático introducido por el sistema de GPS comercial de sincronización es de unos 21 nanosegundos. En MINOS medir la velocidad de los neutrinos es imposible, pues medir 0,000 000 002 nanosegundos con un dispositivo experimental cuyo error mínimo es de 21 nanosegundos es imposible. Pero, sin embargo, ello no quita que sea muy interesante realizar este experimento y que fuera realizado en dos ocasiones, en 2007 y 2012.

El resultado obtenido por MINOS en 2007 fue que los 473 neutrinos observados llegaron en promedio antes de tiempo con una confianza estadística de 1,8 sigmas (desviaciones estándar), lo que en física de partículas se considera una fluctuación de origen estadístico. El adelanto de estos 473 neutrinos muónicos con energía promedio de 3 GeV fue de 126 nanosegundos, con un error estadísticos de 32 nanosegundos y un error sistemático de 64 nanosegundos, es decir, se obtuvo un valor negativo de 126 ± 70 nanosegundos, cuando se esperaba obtener un valor de 0 ± 70 nanosegundos. Puede parecer que esto demuestra que los neutrinos muónicos son superlumínicos, pero lo cierto es que en 2007 poca gente se enteró de este resultado porque los propios investigadores de MINOS afirmaron que se trataba de una fluctuación estadística y que era necesario mejorar el sistema de sincronización mediante GPS para obtener un resultado más fiable. El experimento OPERA decidió medir la velocidad de los neutrinos gracias al impulso de MINOS y a que estimaban que podrían contar más de 15.000 neutrinos (en lugar de menos de 500), lo que les permitiría reducir los errores estadísticos.

Pero el sistema de medida de tiempos de vuelo de los neutrinos en MINOS fue mejorado muchísimo gracias al impulso de OPERA y la medida se repitió en 2012. Para el nuevo resultado se utilizaron dos técnicas de análisis, con lo que se presentaron dos resultados. Por un lado se obtuvo un adelanto de los neutrinos respecto a la velocidad de la luz en el vacío de 18 nanosegundos con un error estadístico de 11 nanosegundos y un error sistemático de 29 nanosegundos, es decir, se obtuvo un valor negativo de 18 ± 31 nanosegundos, cuando el resultado esperado según la teoría sería de 0 ± 31. En realidad cualquier número positivo o negativo menor de 31 con un error de 31 es compatible con cero, es decir, con que los neutrinos no son superlumínicos. Pero MINOS también obtuvo otro valor diferente utilizando otra técnica de análisis de los mismos datos. En concreto 11 nanosegundos con un error estadístico de 11 nanosegundos y el mismo error sistemático de 29 nanosegundos, es decir, un valor de 11 ± 31 nanosegundos. De nuevo un valor compatible con la teoría. Repito, aunque resulte pesado, lo ideal sería obtener 0 ± 31, pero en la práctica se podía haber obtenido cualquier número positivo o negativo menor de 31, ya que así lo permite el error total de 31. Matar moscas a cañonazos es imposible. Medir un retraso de 0,000 000 002 nanosegundos con un dispositivo experimental cuyo error es de 31 nanosegundos es imposible.

Francis (th)E mule Science's News