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Las Ondas de Dios

Grande fue el alivio que todos en el mundo de la física sentimos cuando en 2012 se descubrió por fin el bosón de Higgs.  Concluían así 40 años “creyendo” en la existencia de algo que no tenía otra opción de existir, pero que nadie había visto hasta ese momento.  Lo que casi nadie ha mencionado hasta ahora es que la física tiene por ahí otro “guardado”, uno quizás más fundamental que la “condenada partícula” y que esta a punto de completar casi 100 años escapando a los esfuerzos más infructuosos de detección directa: las Ondas Gravitacionales.  Propongo aquí que a partir de ahora llamemos a las ondas gravitacionales, “las ondas de dios” y que con ellas substituyamos el nicho en el imaginario público dejado por el Mítico Bosón.

“Las ondas gravitacionales son como el bosón de Higgs: es obvio que existen pero hasta que detectemos una no dormiremos”tranquilos”
Enero 25 de 2014
http://bit.ly/trino-ondas-gravitacionales

Una representación gráfica de una onda gravitacional producida por el choque de dos estrellas de neutrones.  Crédito: MPI for Gravitational Physics/W.Benger-ZIB

Una representación gráfica de una onda gravitacional producida por el choque de dos estrellas de neutrones.
Crédito: MPI for Gravitational Physics/W.Benger-ZIB

El 4 de Julio de 2012 terminó, dejando tras de sí un poco de nostalgia, una de las búsquedas más prolongadas de la ciencia moderna: la búsqueda del Bosón de Higgs.  Apodada por el físico León Lederman, “The Goddamn Particle” (en inglés, La Maldita Partícula), o simplemente “The God Particle” (la partícula de dios) como la rebautizaría su ambicioso editor, el Bosón de Higgs es apenas uno de pocos casos notables en la historia de la Ciencia contemporánea de algo sobre cuya existencia se sabe a “ciencia cierta” pero del que no existen evidencias directas concluyentes.  En el caso del “condenado bosón” y solo hasta 2012, no se había detectado en el laboratorio ni un solo ejemplar de la partícula.  Según el modelo estándar de las partículas elementales y las fuerzas fundamentales (que va ya para la medio bicoca de 50 años de ser inventado), el Bosón de Higgs existe “virtualmente” en cada rincón del Universo y actúa como una “melaza cuántica” que hace que la mayoría de las partículas elementales se muevan a velocidades menores que las de la luz (algo que los físicos llamamos cariñosamente, tener masa).  Siendo su lugar en el Universo tan importante, sorprendía a la mayoría que solo supiéramos de su existencia por una construcción mental humana, una teoría, muy exitosa por cierto.

Hay otra “construcción mental” con casi un 100% de ser verdadera pero de la cuál no tenemos todavía ningún rastro: las Ondas Gravitacionales.

Pero cuando digo aquí que las Ondas Gravitacionales, predichas por Einstein prácticamente al “otro día” de publicar en 1915 su obra cumbre, la Teoría General de la Relatividad, hacen parte de ese selecto grupo de “objetos perdidos” de la física, no quiero que las confundan con otros “ilustres desaparecidos” tales como la materia oscura, la energía oscura e incluso los agujeros negros.  El misterio de las que propongo llamar a partir de ahora “las ondas de dios” (y no siento con ello ningún remordimiento por demostrar mis propias ambiciones económicas) no se compara con el de la existencia de la Materia Oscura (que si bien es la mejor explicación para un montón de irregularidades  en el Universo no es producto de predicciones en una teoría fundamental y algunos físicos teóricos todavía creen que podía tratarse de un malentendido con los datos e incluso de la aplicación incorrecta de la teoría de la gravedad).  Ni que decir del caso de la Energía Oscura.

La existencia de las “ondas de dios” no solo ha sido predicha claramente por la que es considerada una de las teorías más bellas y precisas jamás creadas (la Teoría General de la Relatividad) lo que nos permite confiar casi ciegamente en que existen, de la misma manera que sabíamos que el Higgs aparecería, sino que cierta evidencia indirecta, galardonada incluso con un Premio Nobel de Física, da fé de que estas “ondas divinas” andan por ahí.  ¿Pero dónde?

¿Qué son las “ondas de dios” y por qué casi 100 años después de ser predichas no hemos podido dar con ellas?

Aunque una búsqueda en Google de “Ondas Gravitacionales” (o Gravitational Waves en inglés) probablemente les devuelva miles de sitios en Internet con completas explicaciones y gráficos fantásticos (como el que incluyo al principio) les pido me permitan presentar aquí mi propia versión de los hechos.

El aporte más importante de Einstein a la historia de la física no fue, como se cree, el descubrimiento de que si nos montamos en una nave espacial el tiempo parece transcurrir más lentamente (lo que en realidad no es del todo preciso) o de que en fenómenos donde ocurren cambios profundos en la materia se pueden liberar enormes cantidades de energía (la base de las bombas atómicas). No. El aporte más importante de Einstein y su poderosa intuición fue descubrir que lo que por mucho tiempo fueron consideradas simples “propiedades” de los cuerpos y los fenómenos en la naturaleza, a saber su tamaño o duración, en realidad eran la manifestación tangible de una parte invisible pero muy real del Universo: el Espacio-Tiempo.

Comparado por muchos con una tela o un fluído, el Espacio-Tiempo en realidad tiene una composición única: no hay nada con lo que podamos hacer una analogía perfecta sobre su composición y estructura.  Es común, por ejemplo, comparar al espacio-tiempo con una tela que se deforma o con un globo que se infla.  Sin embargo, al hacerlo, siempre surgirá la pregunta de que hay debajo del espacio-tiempo (así como hay un debajo de la tela) o dentro de él (como hay un dentro del globo).  No faltará, incluso, quien pregunte también de qué sustancia esta hecho el espacio-tiempo al imaginarse que como la tela o el globo esta debe ser seguramente una sustancia elástica.  Estas preguntas no tienén sentido ni respuesta alguna y son producto de una analogía imperfecta que deberíamos utilizar con menos frecuencia.

El Espacio-Tiempo es una parte más del mundo, esta hecho literalmente de espacio y tiempo y de nada más.  Junto con todas las formas de materia conocidas forman aquello que conocemos como el Universo.

Esta componente fundamental del Universo tiene propiedades fascinantes.  La materia y su energía ejercen sobre él una fuerza que hemos llamado por tiempos inmemoriales “gravedad”.  Pero ¿qué tiene que ver la gravedad con esa supuesta “fuerza” de la materia sobre el espacio-tiempo?  Como mencionamos antes la longitud y la duración de los fenómenos de la materia (y con ellas también las distancias, velocidades y aceleraciones) son manifestaciones, exteriorizaciones de la estructura del espacio-tiempo mismo.  Un espacio-tiempo alterado producirá signos visibles sobre el la posición, el tiempo y el movimiento de los cuerpos que interactúan con él.  Así por ejemplo, la Tierra cambia el espacio-tiempo a su alrededor y este cambio termina por determinar la velocidad y distancias recorridas por los satélites artificiales.   La consecuencia visible de este romance entre la materia y el espacio-tiempo es la tendencia aparente que tienen todas las cosas a juntarse, atraerse.  Dicha tendencia, sin embargo, no es producto de una fuerza real, sino de la apariencia que tiene esa relación tormentosa entre materia y espacio-tiempo.

Pero hay otra propiedad curiosa del Espacio-Tiempo.  Cuando se deforma por la presencia de materia y en especial cuando hay implicadas cantidades muy grandes de ella, el Espacio-Tiempo hala de sí mismo tratando de recomponer el estado imperturbado original.  Una analogía (que hay que tomarse nuevamente con cuidado) es la de una cuerda tensa y recta; cuando se hala una parte de la cuerda hacia arriba, la tensión del resto de la cuerda tiende a llevarla a la situación en la que estaba antes.  Dadas las condiciones apropiadas esa tendencia a volver a la normalidad, tanto en la cuerda, como en el espacio-tiempo, da lugar a un fenómeno fascinante que conocemos como una onda.  En la cuerda, por ejemplo, la parte no molestada, que es precisamente la que ejerce esa fuerza restauradora, siente como reacción una fuerza que hace que ella misma se perturbe.  Así, lo que empieza por una molestia en un extremo de la cuerda termina molestando otras partes en una sucesión temporal que termina dando la impresión de que algo se mueve.   En este caso, en realidad, lo único que se mueve en la cuerda es la “molestia”, “la perturbación”.  Pues bien, con el espacio-tiempo, pasa lo mismo.

Si se perturba con suficiente intensidad una parte del espacio-tiempo (por ejemplo haciendo que la cantidad de materia en un punto aumente debido a un choque entre dos estrellas), el espacio-tiempo vecino al fenómeno y aparentemente no perturbado, terminará sintiendo la molestia; la porción vecina a este último hará lo suyo y así sucesivamente.  Al final una perturbación, un “chisme”, saldrá “viajando” a una velocidad igual a la de la luz (300,000 km/s) alejándose del lugar del choque.

Nada de lo que acabo de decir (al menos puesto en palabras más técnicas) esta en duda en el momento en el que escribo esta entrada del blog.  Nada de esto surge de una interpretación particular de la teoría o ha sido apenas sugerido por observaciones.  No.  La existencia de las ondas gravitacionales es tan cierta como la Teoría General de la Relatividad misma.  Más allá de eso, si las matemáticas en las que se soporta la teoría y el resto de la física ondulatoria (que lleva ya entre nosotros casi 400 años)  se aceptan como verdaderas, entonces no hay duda que las ondas de dios están entre nosotros.

Pero ¿dónde? Nadie, hasta ahora en la historia, ha detectado la primera onda gravitacional: ¡Malditas Ondas! (Goddamn Waves!)

¿Cómo detectarlas? He ahí el quid del asunto.  Incluso si en este momento pasará por su cuerpo o por la pantalla en la que esta leyendo esta entrada, una onda gravitacional millones de veces más intensa que las que se espera existan naturalmente en el universo, no habría casi ninguna manera que la detectaras.  A duras penas percibimos como evidente la deformación permanente del espacio-tiempo alrededor de la Tierra como para que podamos percibir una perturbación diminuta que pasa a la velocidad de la luz a través nuestro.

Desde los años 80s se han intentado construir trampas para las “ondas de dios” que si bien parecerían estar diseñadas correctamente, no han entregado la primera señal inequívoca de la llegada de una de estas olas.  Hay esencialmente dos tipos de lo que podríamos llamar “orejas gravitacionales”.  En el primero tipo el paso de una onda a través de un enorme cilindro metálico o de una esfera enfriada, hace vibrar al pesado cuerpo con una frecuencia muy cercana a su frecuencia de vibración natural.  Como resultado y de la misma manera que una cantante lírica puede quebrar solo con su voz copas de cristal rígido, el paso de la onda gravitacional deja vibrando cuál campana al detector.  Las vibraciones resultantes son perceptibles después por instrumentos corrientes.  El diseño se basa en principios similares a aquellos que nos permiten saber que esta pasando un avión muy lejano cuando vemos los vidrios de nuestras ventanas temblar descontroladamente aún con un sonido casi imperceptible.  Al fenómeno se lo llama resonancia.

En el segundo diseño, mucho más sofisticado y delicado, se envían dos rayos láseres a lo largo de tubos vacíos dispuestos perpendicularmente uno de otro.  Los rayos rebotan en el extremo de los tubos y regresan a un detector situado muy cerca de donde fueron emitidos.  En condiciones normales si los dos tubos miden exactamente lo mismo (lo que debe garantizarse con una precisión menor que ¡la diez milésima parte del ancho de un protón!) los rayos deberían llegar en sincronía al lugar en el que fueron emitidos.  Sin embargo al paso de una onda gravitacional (aún de una muy débil), la longitud de uno de los lados (que como dijimos antes es la manifestación tangible del espacio-tiempo) se haría sutilmente distinta de la del otro lado.  Con ello los rayos de luz en los tubos llegarían a destiempo a la meta produciendo un fenómeno conocido como interferencia.  La medida de la intensidad de la interferencia y su cambio en el tiempo nos daría información de la frecuencia e intensidad de la onda gravitacional.

Del primer modelo se construyeron un par de “poncheras gravitacionales” en los 80s y 90s.  El resultado de la operación de estos instrumentos fue completamente nulo.  Ni una sola onda gravitacional “toco la campana”.  Del segundo modelo esta en operación todavía un enorme detector, el LIGO (por Laser Interferomer Gravitational Wave Observatory) cuyos “tubos” perpendiculares miden 3 km de longitud lo que convierte a LIGO “telescopio” monolítico más grande del mundo.  El número de ondas gravitacionales detectadas por LIGO también es nulo, con excepción de unos cuantos falsos positivos y de un ruidillo de fondo que todavía no logra desprenderse identificarse conclusivamente.  Tal vez nos ha faltado empeño o ninguno de los detectores construído a la fecha tenga la sensibilidad adecuada.  Se sabe por ejemplo que en el caso de detectores como LIGO entre más largo sean los brazos del detector más sensibilidad tendrá.  Pero la Tierra es esférica y no permite fácilmente poner en su superficie túneles rectos de por ejemplo centenares o miles de kilómetros de longitud.  LISA (por Laser Interferometer Space Antena) es un concepto de telescopio de ondas gravitacionales que se construiría en el espacio y que utilizaría como tubos, el vacío mismo entre los planetas.  La longitud de los brazos en LISA sería de millones de kilómetros aumentando muchísimo la sensibilidad y el rango de fuentes que podríamos detectar.  Con LISA podríamos “escuchar” el choque de dos agujeros negros super masivos al otro lado del Universo.

Disminución del período orbital del Pulsar Binario PSR B1913+16.  Los puntos son las observaciones.  La línea es lo esperado asumiendo que las Ondas Gravitacionales existan

Disminución del período orbital del Pulsar Binario PSR B1913+16. Los puntos son las observaciones. La línea es lo esperado asumiendo que las Ondas Gravitacionales existan

Pero como todo en la Ciencia, con el caso de las Ondas Gravitacionales hay siempre una posibilidad: que no existan y que por lo tanto la Teoría de la Relatividad General este equivocada.  Si bien es cierto que la Relatividad, como cualquier teoría, es apenas un “campamento” en nuestro difícil camino hacia la “cima” de las cumbres del entendimiento exacto del funcionamiento del universo, sus predicciones cuantitativas han recibido confirmación experimental y observacional con una precisión sin precedentes en la ciencia.  Mejor aún. Existe un sistema astronómico cuyo funcionamiento puede explicarse con absoluta precisión usando la Relatividad General y asumiendo que es una “linterna” permanente de ondas gravitacionales.  Se trata del pulsar binario PSR B1913+16 (no, nadie ha encontrado una manera más romántica de llamar a este importante sistema astronómico).  En el sistema, dos estrella muy compactas (estrellas de neutrones o como me gusta llamarlas a mí “estrellas sin vacío”) orbitan una alrededor de la otra en un tiempo extremadamente corto para los estándares astronómicos (cerca de 8 horas).  Si no existieran las ondas gravitacionales (es decir si la Relatividad General estuviera equivocada) la órbita de estos dos cuerpos se mantendría siempre del mismo tamaño.  Esto gracias a la denominada conservación de la energía.  Pero lo que se observa es otra cosa (ver figura): los cuerpos en el sistema se están aproximando uno a otro a un ritmo medido con precisión (entre 1990 y 2000 el período orbital perdio casi 20 segundos).  ¿La razón? La gravedad de estos objetos compactos es muy intensa y las características particulares de sus movimientos hacen que desde el espacio-tiempo vecino a ellos se creen y propaguen hacia afuera ondas gravitacionales.  De la misma manera que las ondas de radio que emite un celular van agotando su batería, las ondas de dios que producen las estrellas en este sistema van agotando la energía orbital y como consecuencia producen una disminución en el período y un acercamiento entre ellas.

El descubrimiento de este pulsar y la manera como el estudio detallado de su movimiento ha ayudado a confirmar indirectamente la existencia de las Ondas Gravitacionales y por ende de la exactitud de la Relatividad General hizo que Russel Hulse y Joseph Taylor recibieran en 1993 el Premio Nobel de Física.  Entonces.  Si el comité del Nobel les otorgo a estos físicos un premio de este prestigio por comprobar indirectamente la existencia de un fantasma que ha vivido entre nosotros por 100 años es definitivamente porque la comunidad científica confia en la existencia de las ondas gravitacionales.

Entonces.  No hay duda que con el asunto de las ondas gravitacionales estamos ante un caso similar al del Bosón de Higgs.  El día de mañana cuando descubramos estas “condenadas ondas” haremos un gran alboroto mediático como el que hicimos con el “condenado bosón”.  Sin embargo y como también paso con el Higgs, seguirá siendo muy extraño que cuando en el futuro (ojalá no muy lejano) le pregunten a cualquier físico qué piensa del descubrimiento de las “ondas de dios”, este comience diciendo: “en realidad sabíamos que existían hace 100 años”.

P.S. Como la propuesta de llamarlas “Ondas de Dios” va a caer mal en algunos ámbitos y seguramente va a crear algunas confusiones, como las creadas también con el término de “Partícula de Dios”, me adelanto desde ya al debate.  En realidad el nombre en este caso podría ser más preciso de lo esperado.  En el caso de detectar exitosamente estas ondas y si se desarrollara en los próximos siglos una Astronomía avanzada sobre la base de su observación sistemática, las ondas gravitacionales podrían proveernos imágenes directas de lo ocurrido en los primeros instantes de la creación. que es, vale la pena mencionar, el único lugar al que la física, las astronomía y la cosmología contemporánea parece haber acorralado a los dioses de algunos creyentes modernos.  Es decir estas ondas nos permitirían ver por fin “la cara” del mismísimo creador.  Tal vez nos espere una terrible decepción, pero con esto no veo inconveniente en afirmar que el nombre “Ondas de Dios” les sienta bastante bien.

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Fuerzas Fosilizadas

El nombre de las fuerzas o interacciones fundamentales esta vencido: en los últimas décadas hemos descubierto tantas cosas sobre ellas que deberíamos empezar a considerar seriamente llamarlas con nombres más acertados ¿será posible?

“Una propuesta de nuevos nombres para la “fuerzas” fundamentales: fuerza gluónica, fuerza d’Faraday, fuerza mutagénica y fuerza geométrica” 
Enero 10 de 2014
http://bit.ly/trino-fuerzas

Fuerzas Fundamentales

Las interacciones fundamentales y sus denominaciones populares

A veces los nombres que asignamos a las cosas de la naturaleza pueden convertirse en maldiciones que echamos sobre ellas y sobre el “entendimiento” que generaciones futuras tendrán de las mismas.

Los nombres de algunos objetos o fenómenos fueron asignados cuando todavía eran un misterio o cuando se usaban reglas arcaicas de nomenclatura; estos nombres se hacen extremadamente populares y después, cuando su naturaleza esta revelada y el nombre utilizado es engañoso o falaz toca intentar echar reversa.  En algunos casos la reversa funciona.

Hay que recordar, por ejemplo, que las lunas más grandes de Júpiter fueron los “planetas Mediceos” por un tiempo (para después recibir el nombre justo de “satélites galileanos”) y algunos elementos químicos recibieron nombres exóticos cuando no se sabía que eran elemento comunes e incluso que ya tenían nombre.

Con otros el daño es permanente: así por ejemplo seguimos hablando de “átomos” (que en griego clásico significa “indivisible”) cuando hoy sabemos que los átomos son sistemas compuestos y perfectamente divisibles (basta hacer una sopa para dividir los átomos de Cloro en la Sal).  Por suerte ya casi nadie sabe Griego Clásico (aunque no sé a que le suena a un griegoparlante la palabra átomo, además, obviamente de su acepción científica) y no encuentra extraño o poco informativo este arcaico nombre.  Otro ejemplo, “electricidad”, que en griego vendría a significar “ambaricidad” o fenómeno del “ámbar” (una forma de sabia que se solidifica al salir de algunos árboles) y con la que se cree se identificaron y produjeron los primeros fenómenos eléctricos.  Hoy sabemos que la electricidad no es exclusiva del ámbar y que puede ser producida incluso con un imán; pero, otra vez, nadie habla griego antiguo como para confundirse.

Un caso moderno de nombres en la ciencia que hace rato alcanzaron la “fecha de vencimiento”, es el de las Fuerzas, o mejor, Interacciones Fundamentales (utilizaré el término fuerza e interacción de manera intercambiable aquí; una discusión de la diferencia entre ambos términos esta fuera del alcance de esta entrada ¡por favor no sea purista!)  Nos referimos aquí obviamente a las cuatro formas diferentes en las que las partículas y otras formas de energía en el Universo interactúan entre sí.

El caso de los nombres comunes de las Interacciones Fundamentales, en contraposición con el de “átomo” o “electricidad”, es más complicado.  Sus denominaciones populares e incluso los nombres técnicos, vienen de palabras en lenguas relativamente modernas y fácilmente comprensibles por personas que hablen cualquier idioma (sin temor a equivocarme aseguraría que han sido traducidas a la totalidad de las grandes lenguas existentes)  El problema, y este es mi punto en esta entrada, es que esos nombres ya “clásicos” de “Gravedad”, “Fuerza Débil”,  “Fuerza Fuerte” e “Interacción electromagnética”, pueden ser, a la luz de los descubrimientos de las últimas décadas en física, sutilmente engañosos y a veces totalmente falaces (*hace cara de querer convencer a los lectores aunque reconoce que esta exagerando un poco).  Veamos por qué.

¿Cuál es la interacción más sutil del Universo? ¿la más débil o prácticamente imperceptible en el maremagnum de las otras interacciones? “Debe ser la ‘Fuerza Débil’, por algo se llamará así” diría el principiante.  Utilizar la “intensidad” de las interacciones para nombrarlas no fue nunca, en mi buen saber y entender, una buena idea.    La intensidad de las fuerzas con las que interactúan partículas y otras formas de energía, dependen de muchos factores, incluyendo la distancia el espacio en el que se dan esas interacciones o la cantidad de aquello que hace que interactúen (masa o carga eléctrica por ejemplo).  Pero los físicos tenemos una manera peculiar de hablar de la intensidad de las interacciones: no nos referimos a la intensidad de la interacción en una situación particular sino aquella que se produce cuando tenemos una unidad de masa por ejemplo y la distancia es de una unidad también.  A esta intensidad, que tendría un valor igual en todo el Universo, se la llama la “constante de acople” de la interacción.  La interacción débil es poderosamente intensa a distancias increíblemente pequeñas y podría serlo más que la misma “fuerza fuerte” a distancias mayores.  Pero cuando se las compara en igualdad de condiciones (lo que es casi siempre muy difícil porque son muy diferentes), la “fuerza fuerte” gana (duh!).  Volviendo al punto inicial.  Después de esta prolongada aclaración, debe explicarse que la fuerza con la “constante de acople” más débil del Universo en realidad es la “Gravedad”.  ¿Sorprendido? Vaya dígale a todo el mundo que el agujero negro central de la Vía Láctea utiliza la fuerza más débil del Universo para destruir estrellas y planetas enteros en un par de días ¡dudo que alguien le copie!

La intensidad relativa no es, según este argumento, una buena manera de nombrar las interacciones.

¿Qué les parece entonces utilizar un nombre relacionado con los sistemas en la naturaleza en las que ellas actúan? Así se nombraron en primer lugar la “Fuerza de Gravedad” (actúa sobre los cuerpos graves en la Tierra) y las “Fuerza Nuclear Fuerte” y “Nuclear Débil” que actúan supuestamente en los núcleos atómicos.  Otra vez, una falacia.

La gravedad, desde Newton, ya no tiene que ver con los cuerpos “graves” de la física aristotélica (en contraposición con el aire o el humo) o con caer y ser pesado.  Es claro que con la teoría de la Gravitación Universal del mismo Newton, el término “gravedad” adopto una acepción muchísimo más general.  Por “gravitar”, ahora se entiende, mantenerse cerca a otro cuerpo por efecto de la tendencia a estar juntas de las cosas que tienen masa o energía (o sea todas en el Universo).  Un nombre antiguo que ahora tiene una acepción moderna.  El problema es que la cosmología contemporánea parecería estar enseñándonos que la “gravedad” tiene otros aspectos que no conocíamos y que hacen del concepto de “gravitar” una idea relativamente arcaica.  Y no estamos hablando de algo que se haya descubierto hace 2 o 3 años sino de un fenómeno predicho hace 3 décadas.  Me refiero a la inflación.

Naturalmente todos sabemos hoy que la teoría de Newton de la gravedad es realmente una forma matemáticamente correcta aunque conceptualmente incompleta de entender el fenómeno gravitacional.  Una teoría más completa de la “gravedad” (e increíblemente precisa y mas universal) esta contenida en la denominada “Teoría de la Relatividad” formulada por Einstein entre 1905 y 1916.  En esta teoría la tendencia de las cosas ha reunirse es producto de la relación íntima que hay entre la masa y la energía y la “forma” del espacio-tiempo “dentro” del cual se mueve.  En la mayoría de las situaciones las cosas parecen atraerse porque el espacio-tiempo en el que se mueven (que les dicta como hacerlo, siempre y cuando no hayan otras fuerzas implicadas) esta distorsionado en la dirección hacia otros cuerpos con mayor masa o energía.  La gravedad no es una tendencia misteriosa que tiene la masa y la energía a estar junta sino el resultado de la interacción mutua entre la masa y la energía y el espacio-tiempo, que también es parte integrante fundamental del Universo.

El léctor más atento y conservador podría decir que aún en la teoría de Einstein la tendencia a reunirse, sea cuál sea la causa, sigue siendo el síntoma fundamental de la gravedad. Por ello el nombre de “gravedad” no sería entonces engañoso.  El problema es que la relación entre el espacio-tiempo y la energía, especialmente ciertos tipos de energía, puede ser más compleja.  Se sabe ya, por argumentos teóricos, que es completamente posible que existan formas de energía en el Universo que en lugar de “arrugar” el espacio-tiempo hacia ellas lo hagan en la dirección opuesta.  En ese caso el resultado visible de la interacción gravitacional entre estas formas de energía no sería el de una gravitación o atracción, sino el de una repulsión. Bueno, pero estas formas de energía son sólo teóricas; no vamos a cambiar el nombre de la gravedad porque unos teóricos digan que “podría” existir algo muy raro.  El problema es que hasta ahora la única manera para explicar cómo el Universo surgió del caos informe de un supuesto principio (un estado inicial altamente denso, caliente y tal vez muy desordenad0) para convertirse en lo que vemos ahora, que es bastante “liso”, ordenado y simétrico, es admitiendo que durante una breve etapa pudo haber estado dominado por estas formas de energía.  Si Newton hubiera nacido en estos instantes del Universo, la última palabra en la que habría pensado para describir la interacción que puso en movimiento la expansión, sería “atracción” o “gravedad”.  Tal vez la habría llamado la “fuerza de repulsividad”.

Mas grave aún: en años recientes (para ser exactos en los últimos 15 años) ha esta flotando en la cosmología moderna evidencia que demostraría una de dos cosas.  O bien todavía convivimos con una forma de energía capaz de torcer el espacio-tiempo “hacia afuera”, producir repulsión y acelerar en el proceso la expansión del Universo.  Por supuesto me refiero a la hoy denominada “energía oscura”.  Otra interpretación sería que hoy, después de tener instrumentos suficientemente poderosos para observar el Universo a una escala sin precedentes, estamos descubriendo que la (mal llamada) gravedad, sería, aún para la energía convencional, un poquito repulsiva siempre y cuando actúe en distancias enormes.  La cantidad que cuantificaría este aspecto hasta ahora no detectado, pero intuido por el mismo Einstein, se conoce como la constante cosmológica.

De nuevo, decir Gravedad en pleno siglo XXI es, para mí, inaceptable.

Vamos ahora al núcleo atómico.  Una o dos fuerzas (dependiendo del autor) llevan su nombre: la “Fuerza Nuclear Fuerte” y la “Fuerza (Nuclear) Débil”.  En una era de aceleradores de partículas, rayos cósmicos, neutrinos solares, explosiones de rayos gama, hipernovas y cosmología observacional, llamar a estas fuerzas “nucleares” es una injusticia lamentable.

Para empezar la fuerza nuclear fuerte no es una fuerza fundamental.  Considerarla así sería como creer que la fricción es una quinta fuerza (en realidad la fricción es una manifestación de la fuerza electromagnética, que tiene también un mal nombre como veremos enseguida).  Si bien una descripción matemática sofisticada de la fuerza que sienten los protones y los neutrones en los núcleos atómicos es casi idéntica de la descripción matemática de otras fuerzas fundamentales, hoy (50 años después del surgimiento del modelo de los quarks) se sabe que la fuerza que siente un protón de un neutrón es debida a una compleja red de fenómenos relacionados con los quarks y gluones de los que están hechos.

El “gluon” o “pegamentón” si quieren, es una partícula elemental que viaja a la velocidad de la luz y que revolotea incesantemente entre los quarks dentro de protones y neutrones, manteniéndolos juntos (en procesos que todavía escapan una descripción exacta)  Pero los quarks y los gluones no son exclusivos de los protones y los neutrones.  Hay otras partículas hechas de quarks e incluso algunos lugares del Universo (tan grandes como una ciudad) donde podrían existir, sin que un solo protón, un neutrón y mucho menos una familia de ellos (núcleos atómicos) asomen las narices.  En los años 60s, esas partículas de la “fuerza fuerte” eran solo efímeras apariciones en el centro de colisiones muy energéticas.  Pero hoy y gracias a la Astrofísica y la Cosmología, sabemos que estas exóticas formas de materia están en todo el Universo.  Así por ejemplo: la alta atmósfera de la Tierra ebulle esporádicamente en “piones” (partículas compuestas de 2 quarks y muchos gluónes) creados por el choque de protónes y núcleos atómicos que fueron escupidos hace miles o millones de años en explosiones de estrellas.  Estos piones chocan y se desintegran en la atmósfera produciendo otras partículas.  De fondo en estos procesos esta la “fuerza nuclear fuerte”, pero no hay núcleos siempre implicados.

El interior de las estrellas de neutrones podría estar dominado por partículas muy distintas a las que forman núcleos atómicos.  Es más, incluso en las regiones más superficiales de estas anormalidades astrofísicas, la distancia entre los pocos protones que hay y los abundantes neutrones sería tan pequeña que no podríamos identificar en ella núcleos atómicos.  Es decir, una estrella de neutrones esta dominada por la “fuerza nuclear fuerte” sin que un solo “núcleo” intervenga.

Nos han dicho también que la “fuerza nuclear débil” es la responsable de la desintegración radioactiva (por eso se le agrega a veces “nuclear”).  Pero también es la fuerza responsable de que los neutrinos, que son producidos en el centro del Sol y que nacen con una personalidad determinada (hay 3 tipos distintos de neutrinos) lleguen a la Tierra con una personalidad completamente diferente.  Esa misma interacción (que ya vimos antes no es la más débil en realidad) parecería ser la responsable de que las supernovas exploten.  De nuevo los neutrinos están en el centro de atención (son las partículas más populares del Universo que solo sienten la interacción débil y la gravitacional).  Una Supernova produce por efecto de la interacción débil entre electrones y protones (nada de núcleos atómicos) e incluso entre electrones y electrones mismos, tantos neutrinos que mucho antes de volverse un bombillo luz que ilumina media galaxia, se vuelve un faro poderoso de estas partículas fantasmales.  1 de cada mil neutrinos, en su salida del centro de la estrella, interactúa a través de la mal llamada “fuerza nuclear débil” con los protones, núcleos y electrones de las entrañas estelares, de tal suerte que el núcleo estelar se calienta tanto que explota.  Nada de desintegraciones radiactivas, pura “fuerza débil” propulsando uno de los eventos más energéticos del Universo.

Si no es débil y tampoco es nuclear, exclusivamente, ¿qué es entonces lo que hace a esta interacción diferente de las otras? 2 cosas: (1) es la interacción de más corto alcance que existe y (2) 2 de cada 3 veces (por decirlo de alguna manera) que dos partículas se “sienten” a través de esta interacción, sus “personalidades” cambian: un electrón se puede convertir en un neutrino o un quark se puede convertir en otro quark.  Es esta última propiedad la que se manifiesta en el caso específico de los núcleos atómicos en la forma de algunas desintegraciones radiactivas (la desintegración alfa del Americio en los detectores de humo no es producto en realidad de la “fuerza nuclear débil” sino de otro fenómeno llamado efecto túnel).  Pero en otros casos esta “fuerza transmutadora”  solo tiene efectos sutiles.  Así por ejemplo los neutrinos del tipo electrónico que salen del Sol al interactuar con protones y neutrones del interior solar cambian su personalidad y se convierten en potenciales neutrinos del tipo muónico o tauónico.  Ningún núcleo radioactivo esta implicado en este proceso.

Nos queda solo una interacción.  Tampoco se salvo de esta revisión.  Es la archi famosa “interacción electromagnética”.  Para alguien que no hable griego antiguo el nombre es perfecto.  La interacción electromagnética es aquella que aparece cuando está de por medio electricidad o magnetismo (o los dos juntos como se sabe hoy).  ¿Cuál entonces puede ser la “mancha” en el nombre de esta interacción? El problema es que desde hace ya más de 100 años sabemos, y otra vez de la mano de Einstein, que lo que parecen dos fenómenos distintos aunque intimamente emparentados, la electricidad y el magnetismo, son en realidad uno solo.  Pero no en el sentido que le damos normalmente a esa unicidad (y el que le dio Maxwell), ese de que la electricidad produce magnetismo y viceversa; sino en el sentido de que ambos en realidad son el mismo fenómeno: un campo eléctrico es también uno magnético pero visto desde otra “perspectiva” en el espacio-tiempo.

Decimos eléctrico y magnético porque vemos un mundo en el que el espacio esta divorciado del tiempo (lo que es una ilusión de nuestros sentidos).  Las cosas están allí y allá y por otro lado envejecen (lo dicen nuestras intuiciones básicas).  Las cosas, sin embargo, son más interesantes (atentamente Einstein): los fenómenos están aquí-ahora y allí-mañana.  No se puede divorciar el lugar del tiempo.  Cuando uno separa las dos cosas se producen fenómenos curiosos como los que predice la relatividad: la duración de una película se alarga si alguien la ve en un tren de alta velocidad o en un avión a gran altura.  En realidad, la duración-longitud de la película, considerada como fenómeno en el espacio-tiempo, siempre es la misma, pero tendemos a ver las dos cosas por separado.

Pues bien lo eléctrico y lo magnético también son “indivisibles”.  Lo eléctrico es como la parte temporal de algo más profundo y fundamental, lo magnético es la parte espacial de ese mismo algo.  Pero ¿qué es ese algo que existe en 4 dimensiones y que nuestros limitados sentidos dividen en eléctrico y magnético? Desde hace tiempo los físicos le tienen nombre: lo llaman el “campo de Faraday” (para aquellos colegas que no están familiarizados con esta notación me estoy refiriendo aquí al muy popular tensor electromagnético)

En síntesis: con la certeza de no hacer casi ninguna mella en nuestras tradiciones de la literatura científica, pero con el propósito de dejar al menos una incomodidad sembrada en todos ustedes y tal vez, incluso, de ofrecer ideas para la didáctica o la divulgación de la física y de describir de forma más rica las interacciones fundamentales, les propongo los siguientes nombres que se ajustan mejor a lo que sabemos en pleno siglo XXI sobre estas piezas centrales del Universo:

Nombre arcaico – Nombre propuesto:
Interacción o Fuerza Gravitacional – Interacción o Fuerza Espacio-Temporal
Interacción o Fuerza Electromagnética – Interacción o Fuerza de Faraday
Interacción o Fuerza Débil – Interacción o Fuerza Transmutadora
Interacción o Fuerza Fuerte – Interacción o Fuerza Gluónica

De todos modos, si mi embeleco tuviera algún eco, tal vez en poco tiempo debamos empezar a pensar en un nombre verdaderamente fundamental para las que podrían ser manifestaciones de una sola interacción.  O tal vez no.

Actualización.  Acaba de salir una interesante serie de reflexiones de grandes pensadores acerca de las ideas en la ciencia que están necesitando ya “cristiana sepultura”.  Las reflexiones han sido recopiladas en el sitio Edge, http://bit.ly/ideas-cientificas-que-deberian-tener-cristiana-sepultura, e incluyen ideas que van desde “las Razas”, “el Colapso de la Función de Onda”, “El infinito”, “El cerebro derecho e izquierdo” o la “Uniformidad y unicidad del Universo” ¡Fantástica lectura!  Sin ser invitado me atrevería a decir que esta entrada de blog que escribí un par de días antes de conocer esta iniciativa, es mi propia contribución a esta lista.  Los nombres de las Fuerzas Fundamentales merecen una “cristiana sepultura” en un suelo lo suficientemente fértil del que puedan salir nombres nuevos.  Y qué lugar más fértil que el mismo Internet…

¿Qué nombres propondrían ustedes? Dejo abajo una sencilla encuesta para que con la creatividad ilimitada disponible en la red escojamos los mejores nombres para las Interacciones Fundamentales obedeciendo justamente los detalles ahora conocidos sobre esas fuerzas y que me he esmerado en esbozar aquí ¡Anímense a cambiar la historia!

(Si no puede ver el formulario vaya a este enlace: http://bit.ly/nuevos-nombres-fuerzas)

Actualización, Enero 16 de 2014.  Francis Villatoro, a.k.a. @emulenews, me hace notar muy acertadamente que en realidad deberíamos hoy hablar de 5 fuerzas fundamentales y no solo de 4.  La “Quinta Fuerza” es aquella que une a todas las partículas con masa con el campo de Higgs ¡Vaya omisión la mía!  Si bien no es común considerar este “acoplamiento” como una interacción más, creo que el llamado de Francis es perfectamente válido.  Aprovechemos este momento entonces para darle a la “Fuerza de Higgs” su lugar en el podio.  Ahora bien, ¿cómo la vamos a llamar?  Francis propone (implícitamente en su trino) que las llamemos “Interacciones de Yukawa” (porque cada campo con masa tendría una interacción con el Higgs de intensidad diferente, justamente identificable con su masa)  Yo acabo implícitamente de proponer “Fuerza de Higgs” pero todos sabemos las discusiones presentes y pasadas sobre usar el nombre de tan solo uno de los 6 físicos que a mediados de los 60 propusieron la existencia de estas interacciones.  Les propongo entonces esta nueva denominación:

Nombre arcaico – Nombre propuesto:
(Inexistente) – Interacción o Fuerza de Masa

He agregado al formulario arriba un campo adicional para que envíen sus propuestas.

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