Cáp.5: La teoría del todo.
¿Qué son las leyes científicas o modelos?
Gravedad:
Todo objeto en el universo atrae cualquier otro objeto con
una fuerza proporcional a su masa e inversamente proporcional al cuadrado de su
distancia.
Fuerza electromagnética:
Cargas negativas y positivas. Se atraen y se repelen.
Faraday: Campo de fuerza: Nace para explicar los fenómenos electromagnéticos.
El espacio entre cargas eléctricas se
comportaban como si estuviera lleno de tubos invisibles que llevaran
físicamente a cabo la tara de arrastrar e impulsar. Tubos: campo de fuerza.
Actualidad: todas las fuerzas son transmitidas por campos.
Maxwell: campo electromagnético. La luz es una onda
electromagnética
La velocidad depende del sistema de referencia. La luz no
depende de ello, su velocidad es constante. Consecuencia: las medidas del
tiempo transcurridas así como las distancias depende del observador. Relatividad
especial
El tiempo no es absoluto. No es posible asignar un tiempo
para el cual todos los observadores estén de acuerdo. Cada observador tiene su
propia medida de tiempo.
¿las acciones fantasmales de la mecánica cuántica, no son
prueba de un tiempo con instantes únicos?
El tiempo no puede ser separado de las tres dimensiones del
espacioà
Espacio-tiempo (tiempo cuarta dimensión)
Einstein: Gravedad: curvatura del espacio-tiempo por la masa
y la energía. Relatividad General
Teoría para las fuerzas a nivel cuántico: teoría cuántica de
campos
Gravedad: más débil de las fuerzas, de largo alcance, en
cuerpos grandes dominan.
Electromagnetismo: de largo alcance, más fuerte que la
gravedad. Atracción y repulsión.
Fuerza nuclear débil: radiactividad
Fuerza nuclear fuerte: mantiene unidos a los protones y los
neutrones dentro de los núcleos
Electromagnetismo: versión cuántica: Electrodinámica
cuántica.
Los campos de fuerza son representados como constituidos por
partículas elementales denominadas bosones (transmiten fuerzas) Intercambio de
bosones.
Feynman invento una forma de
introducir las historias alternativas a la teoría cuántica de campos.(diagramas
de feynmanà
representan las interacciones) Genera infinitos que son “renormalizados” por
esta herramienta matemática, pero su ajusto es a “mano” y no predicho por la
teoría.
La división de las fuerzas en
cuatro clases es probablemente artificial à
teoría del todo, que unificará las cuatro fuerzas en una sola ley que fuera
compatible con la teoría cuántica.
La fuerza nuclear débil no puede
ser renormalizada. Pero combinada con la electromagnética se elimina los infinitos.
Fuerza electrodébil. Cromodinámica cuántica: renormalización de la fuerza
nuclear fuerte. Particulas quarks. Se ha intentado unificar la fuerza fuerte y
la electrodébil (no hay evidencia empírica de su predicción: la desintegración
del protón). Teoría ad hoc: Modelo estándar. Pero no lo unifica, ni tampoco
incluye la gravedad (gran dificultad de encontrar una teoría de la gravedad
cuántica)
Principio de incertidumbre +
campo: Valor de un campo y su tasa de cambio temporal. No existe el espacio vacío. Ambos valores
serían 0 y eso no puede ser. Estado mínimo de energía: fluctuaciones cuánticas:
campos y partículas que aparecen y desaparecen. Pares de partículas que
aparecen y se aniquilan entre sí. Partículas virtuales (no se pueden detectar)
pero sin con efectos. Pero tienen
energía. Hay infinitas partículas virtuales, que curvarían el espacio-tiempo
infinitamente, pero eso no sucede. Buscar anular todos los infinitos.
Supersimetría: teoría de la
supergravedad cuántica. Los partículas de fuerza y materia son dos facetas de
una misma cosa. Cada partícula de materia tiene su compañero de fuerza y
viceversa. Los infinitos así se anulan.
Se espera confirmación física.
Teoría de cuerdas: supersimetría.
Las partículas no son puntos sino cuerdas finas. (sin alto ni ancho). Crea
infinitos. 10 dimensiones, enrolladas en un tamaño minúsculo (espacio interno).
5 teorías diferentes. 1994: las 5 teorías y la supergravedad son aproximaciones
a una teoría más fundamental
Teoría M: Maestra, Milagro,
Misterio. Cada teoría puede tener su propia versión de la realidad. Tiene once
dimensiones. No solo cuerdas, sino partículas y otros objetos: p-branas. Restricción para la formas de curvar las
dimensiones extras y estas formas determinan los valores de las constantes
físicas. Permiten diferentes universos,
con leyes aparentes diferentes. 10 a la 500 formas de curvar los espacios
internos.
Cáp.6: Escogiendo nuestro universo
El universo empezó hace 13 mil
setecientos millones de años. Se está expandiendo. Big Bang o gran explosión. Más que extenderse el propio espacio, lo que
está creciendo es la distancia entre dos puntos cualquiera dentro del
universo. Cuanto más lejos se halla una
galaxia, más velozmente se aleja de nosotros.
La expansión del espacio no afecta el tamaño de los objetos materiales
(unidos por fuerzas). Tres formas de expansión: Hasta frenarse y retrocederse
(big crush); infinitamente (big chill) y reducir velocidad y detenerse. El big
Bang es confirmado por la radiación cósmica de fondo de microondas.
Singularidad: instante infinito de
curvatura, densidad y temperatura. La
teoría de Einstein deja de valer en ese instante. (posterior al Big Bang)
Inflación: viola la velocidad de la luz para la
expansión, pero no se aplica para la velocidad del propio espacio. No expansión
uniforme. Requiere condiciones iniciales muy precisas.
El origen del universo fue un suceso
cuántico.
La gravedad deforma el espacio y
el tiempo. La cuestión del inicio del tiempo viene a ser algo análogo a la
cuestión del borde del mundo. El tiempo parecía como una vía de tren. Pero en
ciertos casos cuánticos, la deformación puede llegar a ser tan grande que el
tiempo se comporte como una dimensión del espacio. Cuando el universo era tan
pequeño, había 4 dimensiones espaciales y ninguna de tiempo. Una inicio: en el universo primitivo no
existía un tiempo como el tiempo que conocemos ahora. Representación: tiempo
como polo sur. Cuando avanzamos se “expande” el universo, pero no hay nada al
sur del Polo sur (qué ocurrió antes del inicio del universo). El espacio-tiempo
no tiene bordes. (condición de ausencia de bordes). Inicio regido por leyes de
la ciencia.
Suma de historias del universo:
todas las historias que satisfacen la condición de ausencia de límites y que
terminan en el universo que observamos hoy. El universo apareció
espontáneamente (a partir de la nada), empezando en todos los estados posibles,
la mayoría de los cuales corresponde a otros universos. (con muchas diferentes
leyes)à
multiverso. Burbujas que surgen y solo
algunas sobreviven por la inflación.
La no homogeneidad de nuestro
universo es producto de las fluctuaciones cuánticas que permitieron la
formación de galaxias.
La amplitud de probabilidad de que
el universo se halle ahora en un cierto estado particular se consigue sumando
las contribuciones de todas las historias que satisfacen la condición de
ausencia de bordes y que terminan en el estado en cuestión.
Método ascendente para la historia
cosmológica: historia única bien definida y se usa las leyes para predecir el
cómo se ha desplegado esta historia
Historia descendente: Suma de
todas las historias desde la ausencia de borde hasta este instante. Entonces
partimos desde ahora hacia atrás. La suma: una sola historia. Habrá diferentes
historias para todos los estados posibles en el presente. La suma no tiene
existencia propia, depende de qué se mida. Nosotros creamos la historia
mediante nuestra observación en lugar que la historia nos cree a nosotros.
Otra vez: Si “creáramos” la historia
de esa manera, se usara una visión única del pasado (para llegar a la
determinación del presente). Lo único que se constante es los efectos mecánicos
cuánticos sobre la indeterminación del
universo a lo largo del tiempo. Esto es más una propuesta metodológica. No
necesariamente para explicar, pero si para poder entender el universo.
Las leyes de la naturaleza depende
de la historia del universo. Son diferentes para historias diferentes. El
número de dimensiones espaciales no está fijado por ningún principio físico,
sino por la probabilidad cuántica. De todas las historias posibles,
seleccionamos un subconjunto donde el mundo tiene 3 dimensiones extensas.
Sobre la probabilidad de las leyes: ¿No
nos llevaría a pensar en la posibilidad de que existan un gran número de
universos donde no exista las leyes cuánticas? Eso no nos llevaría a pensar,
que las leyes cuánticas no son absolutas?
Y que dado que no son absolutas, no necesariamente existe un sin número
de universos?. Además que sea posible, no significa que exista.
La condición de ausencia de bordes
implica que la amplitud de probabilidad es máxima para las historias en que el
universo comienza con una forma completamente lista, y se reduce para los
universos que son más irregulares. El universo primitivo debió haber sido casi
liso, salvo diminutas irregularidades.
Parece que los valores de los
parámetros fundamentales, e incluso la forma de las leyes aparentes de la naturaleza,
no son exigidos por ningún principio físico o lógico. Pueden tomar valores y
formas diferentes.
Cáp.7: el milagro aparente
Nuestro sistema solar tiene
propiedades “afortunadas” sin las cuales nunca habrían podido desarrollarse
formas sofisticadas de vida. Orbita casi circular; relación masa del sol y
distancia a la tierra (“zona habitable”). Casualidades improbables, pero hay
otros planetas con esas condiciones.
El hecho de que existamos
restringe las características del tipo de entorno en que nos podemos hallar:
principio antrópico débil. Principio de selección: nuestro conocimiento de
nuestra propia existencia impone reglas que seleccionan, de todos los entornos
posibles, sólo aquellos que permiten la vida. Puede efectuar predicciones: ej.
¿qué edad tiene el universo? Indica un intervalo de valores para algunos
parámetros físicos en lugar de determinarlos con precisión.
Las condiciones afortunadas
relacionadas con la forma de nuestra
órbita, etc, son calificadas de ambientales, porque surgen de una feliz
casualidad con nuestro entorno y no de las leyes fundamentales de la
naturaleza.
Principio antrópico fuerte:
restricciones sobre la forma y contenido posibles de las propias leyes de la
naturaleza. Cada eslabón de la cadena de procesos del universo es necesario
para nuestra existencia (y la precisión
de cada ley). Equilibrio de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, cuyas
relaciones mutuas tenían que ser justo las adecuadas para que pudiéramos
existir. Si se cambia las reglas de nuestro universo sólo un poco, las
condiciones necesarias para nuestra existencia dejan de cumplirse (ejemplo: en
las constantes universales, las 3 dimensiones (para la gravedad y las orbitas))
El ajusto fino más impresionante:
la constante cosmológica de Einstein. (su teoría decía que la fuerza
antigravitatoria estaba incorporada a la misma fábrica del espacio-tiempo).
Luego la descarto. Pero resucito para explicar la aceleración del
universo. Ajuste demasiado fino.
¿Por qué las cosas son así?
Nuestro cosmos es tan solo uno entre muchos (se cambia al principio antrópico débil)
Cáp.8: el gran diseño
Las leyes de la naturaleza nos
dicen cómo se comporta el universo pero no responde las preguntas del por qué.
Realismo dependiente del modelo:
formamos conceptos mentales que son la única realidad que podemos conocer. Se
sigue que un modelo bien construido crea su propia realidad. Por ejemplo: Juego
de la Vida de John Conway. Un conjunto de leyes que rigen un universo bidimensional
(determinista). Aunque su física sea sencilla, su química puede ser muy
compliacada. En los diferentes niveles, podemos deducir leyes que las rigen y
que no estaban comprendidos en sus leyes básicas. Puede incluso surgir maquinas
“inteligentes” (de turing)
Seres vivos: sistemas complejos de
tamaño limitado que son estables y que se reproducen. Cualquier objeto complejo
“tiene” libre albedrío (por nuestra imposibilidad de predicción).
Energía: Magnitud conservada, que
no cambia con el tiempo. La energía del espacio vacío será una constante, pero
podemos tomarla como cero si se tiene en cuenta la energía con respecto a la
del mismo volumen del espacio vacío. Un requisito que debe satisfacer cualquier
ley de la naturaleza es que establezca que la energía de un cuerpo aislado
rodeado por el espacio vacío es positiva (realizar trabajo para ensamblar el
cuerpo). Si la energía de un cuerpo aislado fuera negativa podría ser creado en
estado de movimiento, su energía negativa podría ser contrarrestada exactamente
por la energía positiva de su movimiento.
Si fuera así, no habría razón
alguna por la cual los cuerpos no aparecieran en cualquier lugar y en cualquier
instante. El espacio vacío sería inestable. Crear un cuerpo aislado cuesta
energía, entonces no podría ocurrir ya que la energía debe permanecer
constante.
¿cómo puede ser creado de la nada
todo un universo? Ley de gravedad: La gravedad es atractiva, la energía gravitatoria
es negativa: debemos efectuar trabajo para disgregar un sistema gravitatorio
ligado. La energía gravitatoria negativa puede contrarrestar la energía positiva
para crear la materia. La energía gravitatoria de los cuerpos actualmente es ínfima
con respecto a la energía de los propios cuerpos. Cuanto menor la distancia,
mayor el valor absoluto de esa energía negativa. Antes que la energía negativa
supera a la positiva, un cuerpo se vuelve agujero negro. El espacio vacío es
estable por eso, no puede aparecer de la nada.
El universo si puede. Como la
gravedad da forma al espacio-tiempo, permite que sea localmente estable pero globalmente
inestable. A escala del universo, la materia (e+) puede ser contrarrestada
exactamente por la e-, por lo cual no hay restricción a la creación de
universos enteros. Creación espontánea. No hay razón para recurrir a Dios. Debe existir una ley como la gravedad. Tiene
que tener supersimetrías para tener magnitudes finitas. La teoría M es la única
candidata.
Vemos que para la creación
espontánea, el espacio-tiempo debe permanecer más allá del mismo universo.
Entonces, hay leyes que permanecen iguales. Me preocupa el tema de las
supersimetrías pero si se quiere una teoría de campos de la gravedad debe haber
forma de anular las magnitudes infinitas.
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