¿Cuáles son las preguntas más desconcertantes en física? Deportes: mas rapida, mas alta y mas fuerte

Las 11 preguntas más grandes de física sin respuesta

Pregunta 1

¿Qué es la materia oscura?
Toda la materia ordinaria que podemos encontrar representa solo alrededor del 4 por ciento del universo. Sabemos esto calculando cuánta masa se necesitaría para mantener las galaxias juntas y hacer que se muevan de la misma manera que cuando se juntan en grandes cúmulos. Otra forma de sopesar la materia invisible es observar cómo la gravedad dobla la luz de los objetos distantes. Cada medida le dice a los astrónomos que la mayor parte del universo es invisible.

Es tentador decir que el universo debe estar lleno de nubes oscuras de polvo o estrellas muertas y acabar de una vez, pero hay argumentos convincentes de que este no es el caso. Primero, aunque hay formas de detectar incluso las formas más oscuras de la materia, casi todos los intentos de encontrar nubes y estrellas que faltan han fallado. En segundo lugar, y más convincente, los cosmólogos pueden hacer cálculos muy precisos de las reacciones nucleares que ocurrieron justo después del Big Bang y comparar los resultados esperados con la composición real del universo. Esos cálculos muestran que la cantidad total de materia ordinaria, compuesta de protones y neutrones familiares, es mucho menor que la masa total del universo. Cualquiera que sea el resto, no es como las cosas de las que estamos hechos.

La búsqueda para encontrar el universo perdido es uno de los esfuerzos clave que ha unido a los cosmólogos y físicos de partículas. Los principales candidatos a la materia oscura son los neutrinos u otros dos tipos de partículas: neutralinos y axiones, predichas por algunas teorías físicas pero nunca detectadas. Se cree que estas tres partículas son eléctricamente neutras, por lo tanto incapaces de absorber o reflejar la luz, pero lo suficientemente estables como para haber sobrevivido desde los primeros momentos después del Big Bang.

Pregunta 2

¿Qué es la energía oscura?
Dos descubrimientos recientes de la cosmología demuestran que la materia ordinaria y la materia oscura todavía no son suficientes para explicar la estructura del universo. Hay un tercer componente por ahí, y no es materia, sino alguna forma de energía oscura.

La primera línea de evidencia para este componente misterioso proviene de mediciones de la geometría del universo. Einstein teorizó que toda la materia altera la forma del espacio y el tiempo a su alrededor. Por lo tanto, la forma general del universo se rige por la masa total y la energía dentro de él. Estudios recientes sobre la radiación que queda del Big Bang muestran que el universo tiene la forma más simple: es plano. Eso, a su vez, revela la densidad de masa total del universo. Pero después de sumar todas las fuentes potenciales de materia oscura y materia ordinaria, a los astrónomos aún les faltan dos tercios.

La segunda línea de evidencia sugiere que el componente misterioso debe ser la energía. Las observaciones de supernovas distantes muestran que la tasa de expansión del universo no se está desacelerando, como los científicos habían asumido alguna vez; de hecho, el ritmo de la expansión está aumentando. Esta aceleración cósmica es difícil de explicar a menos que una fuerza repulsiva penetrante empuje constantemente hacia afuera sobre la estructura del espacio y el tiempo.

Por qué la energía oscura produce un campo de fuerza repulsiva es un poco complicado. La teoría cuántica dice que las partículas virtuales pueden aparecer por un breve momento antes de volver a la nada. Eso significa que el vacío del espacio no es un verdadero vacío. Más bien, el espacio se llena con energía de bajo grado creada cuando las partículas virtuales y sus compañeros de antimateria aparecen y desaparecen momentáneamente, dejando un campo muy pequeño llamado energía de vacío.

Esa energía debería producir un tipo de presión negativa, o repulsión, explicando así por qué la expansión del universo se está acelerando. Considere una analogía simple: si tira de un émbolo sellado en un recipiente vacío y hermético, creará un vacío cercano. Al principio, el émbolo ofrecerá poca resistencia, pero cuanto más empuje, mayor será el vacío y más empujará el émbolo contra usted. Aunque la energía del vacío en el espacio exterior fue bombeada por las reglas extrañas de la mecánica cuántica, no por alguien que tira de un émbolo, este ejemplo ilustra cómo se puede generar repulsión por una presión negativa.

Pregunta 3

¿Cómo se hicieron los elementos pesados del hierro al uranio?
Tanto la materia oscura como posiblemente la energía oscura se originan desde los primeros días del universo, cuando surgieron elementos ligeros como el helio y el litio. Más tarde se formaron elementos más pesados dentro de las estrellas, donde las reacciones nucleares atoraron protones y neutrones para formar nuevos núcleos atómicos. Por ejemplo, cuatro núcleos de hidrógeno (un protón cada uno) se fusionan a través de una serie de reacciones en un núcleo de helio (dos protones y dos neutrones). Eso es lo que sucede en nuestro sol, y produce la energía que calienta la Tierra.

Pero cuando la fusión crea elementos que son más pesados que el hierro, requiere un exceso de neutrones. Por lo tanto, los astrónomos suponen que los átomos más pesados se acuñan en explosiones de supernovas, donde hay un suministro inmediato de neutrones, aunque se desconocen los detalles de cómo sucede esto. Más recientemente, algunos científicos han especulado que al menos algunos de los elementos más pesados, como el oro y el plomo, se forman en explosiones aún más poderosas que ocurren cuando dos estrellas de neutrones, pequeños cuerpos estelares quemados, chocan y colapsan en un negro agujero.

Pregunta 4

¿Los neutrinos tienen masa?

Las reacciones nucleares como las que crean elementos pesados también crean un gran número de bits subatómicos fantasmales conocidos como neutrinos. Estos pertenecen a un grupo de partículas llamadas leptones, como el electrón familiar y las partículas muón y tau. Debido a que los neutrinos apenas interactúan con la materia ordinaria, pueden permitir una mirada directa al corazón de una estrella. Esto funciona solo si somos capaces de capturarlos y estudiarlos, algo que los físicos ahora están aprendiendo a hacer.

No hace mucho tiempo, los físicos pensaban que los neutrinos no tenían masa, pero los avances recientes indican que estas partículas pueden tener una masa pequeña. Cualquier evidencia de este tipo también ayudaría a validar las teorías que buscan encontrar una descripción común de tres de las cuatro fuerzas naturales: electromagnetismo, fuerza fuerte y fuerza débil. Incluso un poco de peso se sumaría porque una gran cantidad de neutrinos quedan del Big Bang.

Pregunta 5

¿De dónde vienen las partículas de ultra alta energía?
Las partículas más energéticas que nos golpean desde el espacio, que incluyen neutrinos, así como fotones de rayos gamma y otros fragmentos de metralla subatómica, se llaman rayos cósmicos. Bombardean la Tierra todo el tiempo; unos pocos te atraviesan mientras lees este artículo. Los rayos cósmicos a veces son tan enérgicos que deben nacer en aceleradores cósmicos alimentados por cataclismos de proporciones asombrosas. Los científicos sospechan de algunas fuentes: el propio Big Bang, ondas de choque de las supernovas que colapsan en agujeros negros, y la materia se acelera a medida que es absorbida por agujeros negros masivos en los centros de las galaxias. Saber dónde se originan estas partículas y cómo alcanzan esas energías colosales nos ayudará a comprender cómo operan estos objetos violentos.

Pregunta 6

¿Se necesita una nueva teoría de la luz y la materia para explicar lo que sucede a muy altas energías y temperaturas?
Toda esa violencia citada en la pregunta 5 deja un rastro visible de radiación, especialmente en forma de rayos gamma, los primos extremadamente enérgicos de la luz ordinaria. Los astrónomos han sabido durante tres décadas que destellos brillantes de estos rayos, llamados estallidos de rayos gamma, llegan diariamente desde direcciones aleatorias en el cielo. Recientemente, los astrónomos han precisado la ubicación de las explosiones y las han identificado tentativamente como explosiones masivas de supernovas y estrellas de neutrones que colisionan consigo mismas y con los agujeros negros. Pero incluso ahora nadie sabe mucho sobre lo que sucede cuando tanta energía está volando. La materia se calienta tanto que interactúa con la radiación de maneras desconocidas, y los fotones de radiación pueden chocar entre sí y crear nueva materia. La distinción entre materia y energía se vuelve borrosa. Agregue el factor agregado del magnetismo, y los físicos solo pueden hacer suposiciones aproximadas sobre lo que sucede en estos entornos infernales. Quizás las teorías actuales simplemente no son adecuadas para explicarlas.

Pregunta 7

¿Hay nuevos estados de materia a temperaturas y densidades ultra altas?
En condiciones energéticas extremas, la materia sufre una serie de transiciones y los átomos se descomponen en sus partes constituyentes más pequeñas. Esas partes son partículas elementales llamadas quarks y leptones, que hasta donde sabemos no se pueden subdividir en partes más pequeñas. Los Quarks son extremadamente sociables y nunca se observan solo en la naturaleza. Más bien, se combinan con otros quarks para formar protones y neutrones (tres quarks por protón) que se combinan aún más con leptones (como los electrones) para formar átomos completos. El átomo de hidrógeno, por ejemplo, está formado por un electrón que orbita un solo protón. Los átomos, a su vez, se unen a otros átomos para formar moléculas, como H

O. A medida que aumenta la temperatura, las moléculas se transforman de un sólido como el hielo, a un líquido como el agua, a un gas como el vapor.

Todo eso es ciencia predecible y conocida, pero a temperaturas y densidades miles de millones de veces mayores que las de la Tierra, es posible que las partes elementales de los átomos se despeguen por completo, formando un plasma de quarks y la energía que une a los quarks. Los físicos están tratando de crear este estado de la materia, un plasma de quark-gluón, en un colisionador de partículas en Long Island. A temperaturas y presiones aún más altas, mucho más allá de lo que los científicos pueden crear en un laboratorio, el plasma puede transmutarse en una nueva forma de materia o energía. Tales transiciones de fase pueden revelar nuevas fuerzas de la naturaleza.

Estas nuevas fuerzas se agregarían a las tres fuerzas que ya se sabe que regulan el comportamiento de los quarks. La llamada fuerza fuerte es el principal agente que une estas partículas. La segunda fuerza atómica, llamada fuerza débil, puede transformar un tipo de quark en otro (hay seis “sabores” diferentes de quark: arriba, abajo, encanto, extraño, arriba y abajo). La fuerza atómica final, el electromagnetismo, une partículas cargadas eléctricamente, como protones y electrones. Como su nombre lo indica, la fuerza fuerte es, con mucho, la más muscular de las tres, más de 100 veces más poderosa que el electromagnetismo y 10,000 veces más fuerte que la fuerza débil. Los físicos de partículas sospechan que las tres fuerzas son diferentes manifestaciones de un solo campo de energía de la misma manera que la electricidad y el magnetismo son diferentes facetas de un campo electromagnético. De hecho, los físicos ya han demostrado la unidad subyacente entre el electromagnetismo y la fuerza débil.

Algunas teorías de campo unificadas sugieren que en el universo primitivo ultracaliente justo después del Big Bang, las fuerzas fuertes, débiles, electromagnéticas y de otro tipo fueron una sola, y luego se desenmarañaron a medida que el cosmos se expandía y enfriaba. La posibilidad de que se produzca una unificación de fuerzas en el universo recién nacido es una de las principales razones por las que los físicos de partículas están tan interesados en la astronomía y por qué los astrónomos están recurriendo a la física de partículas en busca de pistas sobre cómo estas fuerzas pueden haber jugado un papel en el nacimiento del universo. Para que se produzca la unificación de fuerzas, debe haber una nueva clase de partículas supermasivas llamadas bosones medidores. Si existen, permitirán que los quarks se conviertan en otras partículas, causando la descomposición de los protones que se encuentran en el corazón de cada átomo. Y si los físicos prueban que los protones pueden descomponerse, el hallazgo verificará la existencia de nuevas fuerzas.

Eso plantea la siguiente pregunta.

Pregunta 8

¿Son inestables los protones?
En caso de que te preocupe que los protones de los que estás hecho se desintegren, transformándote en un charco de partículas elementales y energía libre, no te preocupes. Diversas observaciones y experimentos muestran que los protones deben ser estables durante al menos mil millones de billones de billones de años. Sin embargo, muchos físicos creen que si las tres fuerzas atómicas son realmente manifestaciones diferentes de un solo campo unificado, los bosones alquímicos y supermasivos descritos anteriormente se materializarán a partir de quarks de vez en cuando, causando que los quarks y los protones que componen se degeneren .

A primera vista, sería perdonado por pensar que estos físicos habían experimentado algún tipo de decadencia mental debido a que es improbable que los pequeños quarks den a luz a enormes bosones que pesan más de 10,000,000,000,000,000 de ellos mismos. Pero hay algo llamado el principio de incertidumbre de Heisenberg, que establece que nunca se puede saber tanto el impulso como la posición de una partícula al mismo tiempo, e indirectamente permite una proposición tan escandalosa. Por lo tanto, es posible que un bosón masivo salga de un quark formando un protón por un tiempo muy corto y cause que se descomponga.

Pregunta 9

¿Qué es la gravedad?
Luego está la cuestión de la gravedad, la fuerza extraña cuando se trata de partículas pequeñas y la energía que las mantiene juntas. Cuando Einstein mejoró la teoría de Newton, amplió el concepto de gravedad teniendo en cuenta tanto los campos gravitacionales extremadamente grandes como los objetos que se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Estas extensiones conducen a los famosos conceptos de relatividad y espacio-tiempo. Pero las teorías de Einstein no prestan atención a la mecánica cuántica, el reino de lo extremadamente pequeño, porque las fuerzas gravitacionales son insignificantes a escalas pequeñas, y los paquetes discretos de gravedad, a diferencia de los paquetes discretos de energía que mantienen unidos a los átomos, nunca se han observado experimentalmente.

Sin embargo, hay condiciones extremas en la naturaleza en las que la gravedad se ve obligada a acercarse y a conocer las cosas pequeñas. Por ejemplo, cerca del corazón de un agujero negro, donde grandes cantidades de materia se exprimen en espacios cuánticos, las fuerzas gravitacionales se vuelven muy poderosas a pequeñas distancias. Lo mismo debe haber sido cierto en el denso universo primordial en la época del Big Bang.

El físico Stephen Hawking identificó un problema específico sobre los agujeros negros que requiere un puente de la mecánica cuántica y la gravedad antes de que podamos tener una teoría unificada de cualquier cosa. Según Hawking, la afirmación de que nada, ni siquiera la luz, puede escapar de un agujero negro no es estrictamente cierto. La energía térmica débil se irradia alrededor de los agujeros negros. Hawking teorizó que esta energía nace cuando los pares de partículas-antipartículas se materializan desde el vacío en la vecindad de un agujero negro. Antes de que las partículas de materia-antimateria puedan recombinarse y aniquilarse entre sí, una que puede estar un poco más cerca del agujero negro será absorbida, mientras que la otra que está un poco más lejos escapa como calor. Este lanzamiento no se conecta de ninguna manera obvia a los estados de materia y energía que anteriormente fueron absorbidos por ese agujero negro y, por lo tanto, viola una ley de física cuántica que estipula que todos los eventos deben ser trazables a eventos anteriores. Es posible que se necesiten nuevas teorías para explicar este problema.

Pregunta 10

¿Hay dimensiones adicionales?
Preguntándose acerca de la naturaleza real de la gravedad lleva eventualmente a preguntarse si hay más de las cuatro dimensiones que podemos observar fácilmente. Para llegar a ese lugar, primero podríamos preguntarnos si la naturaleza es, de hecho, esquizofrénica: ¿deberíamos aceptar que hay dos tipos de fuerzas que operan en dos escalas diferentes: la gravedad para grandes escalas como las galaxias, las otras tres fuerzas para las pequeñas mundo de los átomos? Poppycock, dicen los defensores de la teoría unificada: debe haber una forma de conectar las tres fuerzas de escala atómica con la gravedad. Quizás, pero no será fácil. En primer lugar, la gravedad es extraña. La teoría general de la relatividad de Einstein dice que la gravedad no es tanto una fuerza como una propiedad inherente del espacio y el tiempo. En consecuencia, la Tierra orbita alrededor del sol no porque sea atraído por la gravedad sino porque ha sido atrapado en un gran hoyuelo en el espacio-tiempo causado por el sol y gira dentro de este hoyuelo como un mármol de rápido movimiento atrapado en un recipiente grande. En segundo lugar, la gravedad, hasta donde hemos podido detectar, es un fenómeno continuo, mientras que todas las otras fuerzas de la naturaleza vienen en paquetes discretos.

Todo esto nos lleva a los teóricos de cuerdas y su explicación de la gravedad, que incluye otras dimensiones. El modelo original de teoría de cuerdas del universo combina la gravedad con las otras tres fuerzas en un complejo mundo de 11 dimensiones. En ese mundo, nuestro mundo, siete de las dimensiones están envueltas en regiones inimaginablemente pequeñas que escapan a nuestra atención. Una forma de pensar en estas dimensiones adicionales es visualizar una sola hebra de telaraña. A simple vista, el filamento parece ser unidimensional, pero a gran aumento se resuelve en un objeto con un ancho, ancho y profundidad considerables. Los teóricos de cuerdas argumentan que no podemos ver dimensiones adicionales porque carecemos de instrumentos lo suficientemente potentes como para resolverlos.

Es posible que nunca veamos estas dimensiones adicionales directamente, pero podemos detectar evidencia de su existencia con los instrumentos de astrónomos y físicos de partículas.

Pregunta 11

¿Cómo inició el Universo?
Si las cuatro fuerzas de la naturaleza son realmente una sola fuerza que adquiere diferentes complexiones a temperaturas inferiores a varios millones de grados, entonces el universo inimaginablemente cálido y denso que existió en el Big Bang debe haber sido un lugar donde las distinciones entre gravedad, fuerza fuerte, partículas , y las antipartículas no tenían sentido. Las teorías de la materia y el espacio-tiempo de Einstein, que dependen de puntos de referencia más familiares, no pueden explicar qué causó que el punto central del universo se inflara en el universo que vemos hoy. Ni siquiera sabemos por qué el universo está lleno de materia. Según las ideas físicas actuales, la energía en el universo primitivo debería haber producido una mezcla igual de materia y antimateria, que luego se aniquilarían entre sí. Algún mecanismo misterioso y muy útil inclinó la balanza a favor de la materia, dejando suficiente para producir galaxias llenas de estrellas.

Afortunadamente, el universo primordial dejó algunas pistas. Una es la radiación cósmica de fondo de microondas, el resplandor del Big Bang. Desde hace varias décadas, esa débil radiación medía lo mismo donde los astrónomos miraban los bordes del universo. Los astrónomos creían que tal uniformidad significaba que el Big Bang comenzó con una inflación del espacio-tiempo que se desarrolló más rápido que la velocidad de la luz.

Sin embargo, una observación cuidadosa más reciente muestra que la radiación de fondo cósmica no es perfectamente uniforme. Hay variaciones minúsculas de un pequeño espacio a otro que se distribuyen aleatoriamente. ¿Podrían las fluctuaciones cuánticas aleatorias en la densidad del universo primitivo dejar esta huella digital? Muy posiblemente, dice Michael Turner, presidente del departamento de astrofísica de la Universidad de Chicago y presidente del comité que formuló estas 11 preguntas. Turner y muchos otros cosmólogos ahora creen que los bultos del universo —vastos tramos de vacío puntuados por galaxias y cúmulos galácticos— son probablemente versiones muy ampliadas de las fluctuaciones cuánticas del universo original de tamaño subatómico.

Y ese es solo el tipo de matrimonio entre el infinito y el infinitesimal que hace que los físicos de partículas se acerquen a los astrónomos en estos días, y por qué los 11 de estos misterios podrían explicarse pronto por una idea.

Happy Reading Quorans 🙂

FUENTE: discovermagazine