Fort Da: blog de Gonzalo Ramírez Herrera

Introducción

Albert Einstein se consolidó en la primera mitad del siglo XX como el padre de la física clásica. Su importante fama se correspondía con sus diversos aportes en dicha área. Técnicamente, había resuelto muchos aspectos problemáticos dentro de esta área en relativamente un lapso corto de tiempo. Pero como sucede con las buenas ideas, estas producen más ideas nuevas. Una de ellas, hija de los alcances de Einstein y de la fuerte actividad intelectual en esta época, fue la mecánica cuántica. Sin embargo, esta abordaba los fenómenos de nivel subatómico y este es un terreno para la indeterminación en el estudio de fenómenos que el paradigma anterior explicaba y predecía sin problemas. Era el terreno de las probabilidades y las tendencias, y no del cálculo exacto. Una de las grandes diferencias, por ejemplo, es que los objetos cuánticos no tienen propiedades fijas, en contraposición a los clásicos. Un electrón, según el denominado Principio de Indeterminación de Werner Heisenberg, puede tener una posición bien definida, pero esto hace que su velocidad no lo esté o al revés. Las propiedades del electrón no están siempre definidas, sino que viven en el mundo de las posibilidades. Einstein se volvió, por esta y otras razones, un opositor del nuevo paradigma. Uno de los fenómenos que Einstein utilizó para poner en jaque al nuevo modelo era la idea de que dos partículas, pertenecientes a un mismo sistema cuántico debían comportarse de manera similar sin estar necesariamente en un mismo lugar. Esto iba en contra del sentido común al considerar que un fenómeno no debía estar cerca a otro para ser parte de un mismo sistema: se rompía el Principio de localidad. Además, suponía que este comportamiento era inmediato y que la transmisión de información, si la había, sobrepasaba el límite de la velocidad de la luz. La sorna por parte de Einstein llegó a tal punto que le llamó “acción fantasmagórica”. Al parecer, bajo esta idea de burla, había descubierto lo que hoy conocemos como entrelazamiento cuántico. Pero, entonces, ¿qué es el entrelazamiento cuántico?, ¿cómo se descubrió?, ¿qué características presenta? y ¿en qué puede sernos útil?, son preguntas que resolveremos en la siguiente nota.

Resumen

-El entrelazamiento es un fenómeno cuántico donde los estados cuánticos de dos o más objetos son descritos mediante un estado único. Este debe involucrar a todos los objetos del sistema incluso estén separados espacialmente.

-Se descubrió por dos rutas: una a modo de paradoja y la otra al describir experimentos bajos las condiciones peculiares de la mecánica cuántica.

-Su principal característica es el comportamiento de dos o más objetos con un mismo estado cuántico, pero sin estar cerca entre ellos. Es decir, como por telequinesis, dos partículas se comportan igual sea la distancia que presenten.

-Para que esta situación tenga lugar, los objetos deben compartir un mismo estado cuántico inicial y, paso siguiente, el segundo debe ser afectado. En estas circunstancias, y casi como un acto de magia, uno de los elementos se comportará igual al primero.

-Las razones que describen este comportamiento aún no son claras del todo para los investigadores. En un momento se pensó que la información de estos cuerpos pasaba de uno a otro a la velocidad de la luz. Sin embargo, no es posible pasar información a dicha velocidad porque se perdería en el camino gran parte de ella.

-Este tipo de tecnología de propiedad puede sernos útil para dos aspectos: la comunicación a grandes distancias y, aunque esté más cerca de la ciencia ficción, para la tele transportación de materiales.

Qué es el entrelazamiento cuántico

El entrelazamiento cuántico (Quantenverschränkung, originariamente en alemán) es una propiedad predicha en 1935 por Einstein, Podolsky y Rosen. Esta fue formulada como una paradoja, casi una burla, para el nuevo modelo de física que estaba en desarrollo: la mecánica cuántica. Recordemos que la mecánica cuántica es la rama de la física que estudia los sistemas atómicos y subatómicos, sus interacciones con la radiación electromagnética y otras fuerzas, en términos de cantidades observables. Para el entrelazamiento cuántico, las partículas en cuestión, inicialmente, son los fotones y los electrones. Decimos inicialmente porque, como veremos más adelante, ya se probó en objetos de mayor masa, como átomos.

Esta propiedad advierte que un conjunto de partículas entrelazadas (en inglés: entangled) no pueden definirse como partículas individuales con estados definidos, sino como un sistema con una función de onda única para todo el sistema. Con esta noción nos referimos a la forma en que se representa un estado físico de un sistema de partículas. De esta manera, si nos referimos a una función de onda única estamos indicando que los dos elementos son un mismo sistema.

Esto quiere decir, que dos partículas que han interactuado previamente se comportan de manera idéntica incluso no se mantengan en un mismo lugar. A esto hace referencia la idea de que son un sistema incluso no respeten algún principio de localidad. Más adelante explicaremos este principio con detalle. Basta entender que advierte la cercanía de elementos que conforman un sistema, al menos en sentido de la física tradicional.

El entrelazamiento es un fenómeno donde los estados cuánticos de dos o más objetos se deben describir mediante un estado único.

Para entender esto último, debemos tomar en cuenta que un estado cuántico es el estado físico que en un momento dado tiene un sistema físico. En la física clásica, al medir una magnitud física de un sistema varias veces, se obtendrá un mismo valor. Sin embargo, y acá otra diferencia entre estos modos de abordaje, en la física cuántica, en teoría, al medir una magnitud física podríamos obtener un valor diferente cada vez que se realice la medición. Por tanto, para estudiar los resultados de una medición cuántica, se recurre a una distribución de probabilidad y no a medidas exactas. En este sentido, una misma función de onda remite a que dos o más elementos tienen las mismas distribuciones de probabilidad.

En la actualidad, se suele utilizar fotones para hablar de este fenómeno. Esto por dos razones: es fácil preparar estados coherentes de dos fotones y porque es sencillo hacer razonamientos sobre un spin discreto. En estos modelos, lo que le ocurra a uno de los dos fotones influirá de forma instantánea a lo que le ocurra al otro, dado que sus distribuciones de probabilidad están indisolublemente ligadas con la dinámica de ambas.

El entrelazamiento de fotones se consigue en laboratorios usando cristales no lineales, en la imágen esto se representa por la forma de zigzag, que tienen la capacidad de convertir un pequeño porcentaje de los fotones que inciden sobre él en un par de fotones entrelazados. Esto se representa con la línea morada que cruza el sistema. En el caso del cristal de borato de bario beta (llamado habitualmente BBO) los dos fotones entrelazados tienen polarizaciones opuestas y se emiten en direcciones diferentes.

Este vínculo manifiesta correlaciones entre las propiedades físicas observables de los objetos implicados. Por ejemplo, es posible preparar dos partículas enlazadas en un solo estado cuántico, esto es, con un mismo número de spin.

Como vimos en otros informes, los estados cuánticos describen desplazamientos de las partículas en el sentido de giros.  El spin o espín proporciona una medida del momento angular intrínseco de toda partícula. Estas pueden ser enteras si el spin o giro es completo. O números fraccionarios si el spin es justamente una fracción. En este caso, si dos partículas presentan espín nulo, es decir no están en un estado cuántico fijo, y  se observe que una gira hacia arriba, la otra automáticamente recibirá una «señal» y se mostrará como girando hacia abajo casi por acto de magia.  Acá un video para afianzar las ideas expuestas hasta acá: entrelazamiento cuántico

Cómo se descubrió

El término fue introducido por dos grupos de investigadores en 1935 por Einstein, Podolsky y Rosen  y por Erwin Schrödinger. Los primeros formularon su presencia a modo de paradoja. El segundo lo presentó  para describir un fenómeno de mecánica cuántica que se demuestra en los experimentos. Revisemoslo.

En primer lugar, el entrelazamiento cuántico fue en un principio planteado por sus autores Einstein, Podolsky y Rosen como un argumento contra la mecánica cuántica. Buscaban probar que las correlaciones predichas por la mecánica cuántica eran inconsistentes con el principio del realismo local. Este principio dice que cada partícula debe tener un estado bien definido, sin que sea necesario hacer referencia a otros sistemas distantes. En otras palabras, lo que suceda en un lugar con objetos implicados, no debe afectar a otros sistemas. Lo que le suceda al conjunto de elementos en la Tierra no debe verse afectado por lo que suceda en Júpiter, por ejemplo, principalmente porque son sistemas distintos.

Desde el principio, el fenómeno del entrelazamiento cuántico les pareció tan absurdo que llegaron a denominarlo “acción fantasmagórica” o “acción fantasmal”. Einstein pensó que debió haber algún error en la teoría de la mecánica cuántica, ya que según esta el realismo local no era verdadero para todos los casos. Era un resultado antiintuitivo, por decir lo menos.

En segundo lugar, y ya con la paradoja de Einstein, Podolsky y Rosen publicada y discutida, Erwin Schrödinger escribe al respecto, dejando de lado la idea de sorna y reafirmando como no solo una propiedad de la mecánica cuántica, sino como una de las propiedades más importante de la nueva física en desarrollo.

Esas fuertes correlaciones hacen que las medidas realizadas sobre un sistema parezcan estar influyendo instantáneamente en otros sistemas que están entrelazados con él, y sugieren que alguna influencia se tendría que estar propagando instantáneamente entre los sistemas, a pesar de la separación entre ellos. Sin embargo, el principal modo de propagación que sería la velocidad de la luz no cumple como un buen candidato, ya que nada material puede acercarse a este umbral de velocidad sin perder información en el camino. Dentro de todo, la mecánica cuántica desafía la lógica pero respeta la teoría de la relatividad.

Qué propiedades presenta el entrelazamiento cuántico

Las leyes de la mecánica pronostican que dos objetos pueden compartir su estado cuántico sin importar la distancia a la que se encuentren. Las propiedades medibles, como su velocidad o posición, se mantienen conectadas con las de otro objeto diferente hasta el punto de que si uno de los objetos se modifica, el otro también.

Con el tiempo se ha acabado definiendo como uno de los aspectos más peculiares de esta teoría, especialmente desde que el físico norirlandés John S. Bell dio un nuevo impulso a este campo en los años 60 gracias a un refinado análisis de las sutilezas que involucra el entrelazamiento. La propiedad matemática que subyace a la propiedad física de entrelazamiento es la llamada no separabilidad.

Además, los sistemas físicos que sufren entrelazamiento cuántico son típicamente sistemas microscópicos, según se entendía, esta propiedad se perdía en el ámbito macroscópico . Es decir que solo los objetos subatómicos podían tener estas propiedades.

Sin embargo, recientemente, un experimento​ ha logrado entrelazamiento en diamantes milimétricos, llevando así este fenómeno al nivel de lo macroscópico. Científicos encabezados por el físico de Oxford Ian Walmsley han conseguido relacionar y hacer vibrar a dos diamantes en el proceso de entrelazamiento cuántico.

Esta es la primera observación de este proceso a temperatura ambiente entre los fonones (cuasipartículas) de dos piezas de cristal de diamante de apenas unos pocos milímetros y separados por 15 centímetros. Estas son medidas que están por encima de la masa usual del mundo cuántico. Todo ello a una temperatura ambiente, donde lo normal es que los cambios térmicos rompan cualquier coherencia del sistema cuántico. Estos científicos han logrado un entrelazamiento cuántico durante 7 picosegundos,  unidad de tiempo que equivale a la billonésima parte de un segundo. Este es un paso importante porque abre la posibilidad de experimentar con este fenómeno a escalas superiores a la atómica.

Experimentos sobre el entrelazamiento cuántico

Dos estudios más recién publicados en ‘Science’ han conseguido entrelazar objetos más grandes que una simple partícula, en concreto dos osciladores mecánicos ‘macroscópicos’ que, aunque pequeños (apenas unas 10 milésimas de milímetro de diámetro) son mucho más masivos que cualquier objeto entrelazado hasta ahora.

En los dos estudios de ‘Science’, Shlomi Kotler y Laure Mercier de Lépinay informan de la observación directa de fenómenos cuánticos a escala macroscópica y demuestran la capacidad de extender las mediciones de estados cuánticos a sistemas formados por miles de átomos individuales.

En el primero de los dos trabajos, Kotler y sus colegas presentan evidencia de entrelazamiento cuántico utilizando un par de membranas vibratorias a macroescala. Aunque aparentemente son diminutas son mucho más masivas que cualquier objeto previamente entrelazado en otros experimentos.

Por su parte, Mercier de Lépinay y su equipo utilizaron osciladores mecánicos macroscópicos similares para mostrar cómo es posible medir el entrelazamiento sin perturbar el momento mecánico cuántico.

Los impresionantes resultados de ambos trabajos demuestran sin lugar a dudas que el entrelazamiento cuántico ha conseguido abandonar el reino microscópico y pasar a un realidad  macroscópica. El logro no solo abre las puertas a nuevos tipos de tecnologías cuánticas como veremos más adelante, sino que también permitirá nuevos estudios de física fundamental, entre ellos la aún poco comprendida relación entre la gravedad y la mecánica cuántica.

Para qué puede sernos útil

Existen dos áreas donde puede aplicarse esta propiedad: los sistemas de comunicación a grandes distancias y la teletransportación. Por un lado, si ya hemos advertido que la incidencia sobre un elemento cuántico repercute en el otro elemento aunque no se encuentren a una distancia que respete el principio de localidad, es posible pensar sistemas que, a grandes distancias puedan procesar información por esta acción. Es decir, si por ejemplo, incidimos en una partícula con información, la otra partícula reacciona de manera inversa. Esto podrá ser deducido por una computadora que procesa la información y reconstruye el mensaje correcto. Esta idea proviene de la denominada computación cuántica. Esta área desarrolla todos los posibles caminos de introducir el procesamiento cuántico en áreas clásicas. En términos operacionales, busca destronar la idea de un procesamiento binario de unos y ceros por uno de estado cuántico donde los unos y ceros pueden coexistir sin problemas.

Por otro lado, en un artículo publicado en PRX Quantum, el equipo presenta por primera vez una demostración de una teletransportación sostenida y de larga distancia de qubits hechos de fotones (partículas de luz) con una fidelidad superior al 90%. Los qubits, partículas de información binario pero simultáneo, fueron teletransportados a través de una red de fibra óptica de 44 kilómetros de largo usando detectores de fotón único de última generación, así como equipos listos para usar.

Introducción

Los tres tres estados básicos de la materia son el sólido, líquido y gaseoso. Se les considera básicos porque se pueden identificar en condiciones naturales dentro de nuestro planeta. En los últimos años, el estado plasma y el condensado Bose-Einstein han adquirido mayor presencia como estados de la materia en textos de divulgación científica y en materiales escolares: el primero es el estado de las estrellas y el estado más abundante en nuestro universo; el segundo es un estado producido por llevar un tipo de partículas llamadas bosones hacia temperaturas cercanas al cero absoluto. No obstante, estos no son los únicos estados de la materia descubiertos hasta el momento ¿Qué es un estado?, ¿por qué adquiere las formas que adopta?, y sobre todo y finalmente, ¿cuántos estados hay? Estas preguntas serán respondidas en el siguiente informe.

Resumen

-Los átomos que conforman la materia están compuestos por distintas partículas subatómicas: los neutrones, los protones y los electrones, por ejemplo.

-Un estado de la materia es la manera en que se describe la forma que adoptan las partículas  en un material.

-A estos estados también se le conoce como estado de agregación o fase. El primero porque describe cómo se agregan o no partículas para la constitución de los materiales. El segundo porque da cuenta de un estado que puede cambiar.

-En la escuela conocimos tres de estos: sólido, líquido y gaseoso. Con el tiempo, se introdujo también el plasma. En la actualidad contamos con cuatro más: el condensado Bose-Einstein, el condensado de Fermi, el material de neutrones y el estado de libertad asintótica.

-Los tres primeros estados se consideran básicos por encontrarse en la Tierra de manera natural. El plasma le sigue por presentarse principalmente en la materia de las estrellas.

-El condensado de Bose-Einstein, el material de neutrones y el estado de libertad asintótica son estados principalmente hipotéticos, pero capaces de aparecer en las condiciones extremas que describen los científicos.

Qué es un estado de la materia

Todas las cosas que vemos alrededor nuestro están formadas por materia. Nuestro cuerpo, los cuerpos de los animales y plantas, nuestra ropa, las estrellas y nuestro planeta están todos constituidos por materia. Los estados son las diversas formas en que se puede presentar la materia en el universo. Estos estados son determinados por cómo están organizados los átomos que la constituyen. Se conocen también como estados de agregación de la materia, ya que las partículas subatómicas, es decir, los constituyentes más pequeños de los átomos, se agregan y agrupan de maneras diferentes en cada estado. Dicha organización le da la forma con que las conocemos. Esto quiere decir que, dependiendo de cómo se organizan estas partículas, la materia presenta sus diversos estados. Esta será la vía que usaremos para describir cada estado de la materia en el desarrollo de este texto.

Estado sólido

Si las moléculas se encuentran en relación de acoplamiento, es decir, uno al lado del otro y uno detrás del otro, obtenemos un estado sólido de la materia.  Esta descripción nos advierte que los átomos presentan estabilidad y tienen un rango muy reducido para moverse o desplazarse. Asimismo, las partículas, por su constitución y carga electromagnética, presentan mayor atracción entre ellas, lo que reduce su movimiento y las posibilidades de interacción.

En esta misma línea, la fuerza de atracción entre las partículas individuales es mayor que la energía que causa separación. Esto es que la fuerza nuclear fuerte es más intensa que la fuerza nuclear débil, ambas, junto al electromagnetismo y la gravedad, son dos de las cuatro fuerzas fundamentales. Debido a esto, mantienen su forma y presentan una consistencia sólida. La percibimos como materia fija y es resistente a los cambios de forma y volumen. Ejemplos de este estado son las rocas, madera, utensilios de metal, vidrio, hielo y grafito, entre otros.

Estado líquido

Si los átomos de un material presentan mayor libertad de desplazamiento, pero mantienen cierto estado de cohesión, estamos ante un estado líquido. Es decir, las partículas se atraen entre sí, pero con una distancia mayor entre sus constituyentes que en los sólidos. Se suele indicar además que la forma que adopta la materia en este estado es el de la base del recipiente. Es decir, al verter un material en este estado adopta la forma del contenedor.

Estado gaseoso

Si las partículas de un material se encuentran separadas estamos ante un estado gaseoso. En un estado de este tipo las partículas están muy apartadas, tanto que la única manera de mantenerlas juntas es en un recipiente.

Las partículas se encuentran en expansión, por lo cual son más dinámicas que los sólidos y los líquidos. Los gases ocupan todo el espacio disponible porque, como indicamos, no hay cohesión entre sus átomos.

Como se indicó, hasta acá tenemos a los tres estados básicos que se pueden encontrar en condiciones naturales del planeta. Ahora, revisaremos cinco estados más.

Estado plasma

Este estado se obtiene cuando un gas es sometido a altas temperaturas. No estamos hablando de temperaturas ordinarias, sino  a las que se acerca a los 10,000 grados kelvin. En estas condiciones, la temperatura es tan alta que a los átomos les cuesta mantenerse juntos en su propia estructura y pasan a disociarse en elementos más simples. Por ejemplo, los electrones y protones se disocian. Cuando un gas alcanza estas condiciones se obtiene un gas ionizado o también conocido como estado plasma.

Curiosamente, este es el estado más abundante en nuestro universo al estar las estrellas en este estado y estas ser abundantes en nuestro universo. Por ejemplo, nuestro sol, centro del sistema que habitamos está en este estado de la materia.

Bosones y fermiones en condiciones extremas.

Ahora bien, vimos que los gases al ser sometidos a altas temperaturas entran en el denominado estado plasmático. Pero qué sucede si conducimos a la materia a las condiciones opuestas, es decir, en vez de aumentar la temperatura, la reducimos de manera radical casi hasta llegar al denominado “cero absoluto”: temperatura hipotética equivale a -273.15°C  y, en ella, los átomos ralentizan su dinámica y pierden sus propiedades de interacción por la reducida energía presentada. En estas condiciones hay dos efectos y dependen de las partículas que se ven afectadas. Gracias al denominado modelo estándar en física de partículas podemos reconocer que la materia se constituye de dos tipos de partículas: los bosones  y fermiones. Para la mecánica cuántica, estas partículas se distinguen por el tipo de spin que presentan: un número cuántico que describe el tipo “giro” que realiza la partícula. Los bosones tienen un número entero en su descripción y los fermiones un número expresado con fracciones. Para la teoría de cuerdas, los bosones representan cuerdas cerradas en sí mismas y pueden atravesar las dimensiones sin problemas; por otro lado, los fermiones son cuerdas abiertas y ponen un punto de la cuerda en una dimensión y otro en otra dimensión. Los primeros cruzan dimensiones, los segundos las entrelazan.

Estos distintos tipos de descripción sólo quieren dar cuenta de que los bosones constituyen a las fuerzas fundamentales del universo y los fermiones se encargan de darle constitución a la materia.

Un pequeño pero central detalle. La razón por la cual los fermiones pueden formar materia es porque cumplen con el Principio de exclusión de Pauli: no pueden haber dos partículas con los mismos números cuánticos. Y al no poder estar dos partículas en un mismo estado cuántico, pasan a organizarse en capas o niveles. Esto deviene en formas y consistencias distintas.

Los bosones no siguen este principio y sí pueden organizarse en un mismo estado cuántico. Esto último permite que sus interacciones sean más intensas. En resumen, los fermiones constituyen la forma de la materia y

Condensado Bose-Einstein

Entonces, si por un lado los bosones son llevados al cero absoluto, la energía se reduce al extremo y los posibles estados de la materia también se reducen. En este sentido, los bosones pasan a un estado de mínima energía y pasan a formar un condensado que, curiosamente, aún mantiene propiedades del campo cuántico.  A este estado se le conoce como condensado de Bose-Einstein.

A estas temperaturas los átomos se aglutinan y pasan a un nivel de energía mínima, conocido como estado fundamental. En este estado, los átomos se comportan como un gran sistema cuántico, es decir, como si se tratara de un único “superátomo”.

Por el momento, solo se ha conseguido llevar la materia a este estado en un laboratorio, recurriendo a técnicas experimentales de física cuántica. Se espera que en un futuro el condensado de Bose-Einstein sea una revolución en el campo de la electrónica, pero actualmente la temperatura necesaria para que se forme es tan extrema que dificulta su estudio y aplicación. Sin embargo, un estado de superfluidez sirve como ejemplo de este estado. Este es el caso del helio. Este cuando se enfría se licúa, si se sigue enfriando los átomos de helio (que son bosones) descienden al nivel de mínima energía, el 0 Kelvin. Esto hace que los átomos no adquieran energía por fricción y evita que se disipe energía por movimiento. El resultado es un plano horizontal infinitamente estrecho; como lo que pasa en el interior de las supernovas cuando su periodo vital se agota y se transforman en agujeros negro

Condensado de Fermi

Ya vimos a los bosones puestos en condiciones de frío extremo. Veamos ahora qué sucede con los fermiones. Al igual que los bosones, los fermiones pasarían a un estado de mínima energía y la posibilidad de estados se reduce también. Sin embargo, y aquí reside la diferencia, los fermiones ven reducida la posibilidad de organizarse en órbitas atómicas y en capas o niveles. Es como si no pudieran organizarse.

Los investigadores añaden a este estado, se  le induce un campo magnético para que las partículas se vayan organizando. Lo que sucede con este estado es que las mismas se van organizando en pares y estos en otros pares y en los fermiones pasan a vincularse con otros fermiones de la misma carga. Al producto de llevar los fermiones a un cero absoluto y además de inducir un campo magnético para forzar su interacción se le conoce como superfluido con cero viscosidad, llamado también Condensado de Fermi.

La tecnología desarrollada para lograr los condensados fermiónicos, en la que prácticamente se manipulan los átomos casi en forma individual, permitirá el desarrollo de la computación cuántica, entre otras tecnologías.

Materia de neutrones

El estado aquí descrito se encuentra en los objetos con mayor nivel de energía en el universo: las estrellas de neutrones. Estas surgen como un remanente de estrellas muertas que superaron en su momento ocho veces la masa de un sol como la nuestra, o en términos técnicos, superan en ocho el denominado límite de Chandrasekhar. Este sol antiguo estalló por contener esta cantidad de energía en una supernova y dejó el núcleo de la estrella pero con una altísima densidad. Esto es una gran cantidad de masa, aproximadamente dos masas solares, condensadas en una estrella de 15 kilómetros.

Esta alta densidad hace que las partículas que la conforman se fusionen entre sí. Es decir, los protones se fusionan con electrones dando paso a los neutrones y a la emisión de neutrinos. Para algunos investigadores, estas estrellas son núcleos atómicos gigantes. Este tipo de organización de partículas da cuenta de un estado llamado Materia de neutrones.

En resumen, como vimos, toda la materia que nos rodea está compuesta de átomos. Estos tienen núcleos densos, que comprenden protones y neutrones, y están rodeados de electrones cargados negativamente. Sin embargo, dentro de las estrellas de neutrones, se sabe que la materia atómica se colapsa en materia nuclear inmensamente densa en la que los neutrones y protones están tan juntos que la estrella entera puede considerarse un solo núcleo enorme.

La curiosidad de este estado es que la materia que reside dentro de los núcleos de las estrellas de neutrones estables más masivos se parece mucho más a la materia de quarks que a la materia nuclear ordinaria.

Estado de libertad asintótica

Como se puede observar a los largo de nuestra presentación, para que los estados salgan de las formas usuales en que los conocemos, debemos llevar la materia a extremos de presión, densidad y energía. Un escenario que sin duda cumple con estas condiciones extremas es el del origen del universo. En este la presión era tan alta que las partículas estaban disociadas, no entre ellas solamente, sino en su interior. Esto dio paso a una mazamorra de elementos subatómicos.

A este estado hipotético de la materia se le conoce como Estado de libertad asintótica o también, y de manera más vulgar, como mazamorra de quarks y gluones. Como se comentó, si bien es un estado hipotético es posible que pueda encontrarse en el interior de las estrellas de neutrones y en las condiciones al interior de un agujero negro: lugares donde se replicarían las condiciones del universo primordial.

0. Introducción.

La historia de las ciencias naturales siempre ha perseguido el ideal de la unificación. Esto es reducir el funcionamiento del universo de fenómenos conocidos a un conjunto de leyes y elementos como un código claramente determinado. Es más, en la actualidad, es el deseo de los físicos, por ejemplo, integrar el mundo de la mecánica clásica con la mecánica cuántica. Eso nos daría una teoría del Todo, pero aún no es esquiva.

Pero intentos de este tipo han habido varios y con resultado, por lo general, satisfactorios. Por ejemplo, y cada uno por sus propio camino, Galileo y Kepler: el primero describiendo los efectos de la gravedad en la Tierra y, el segundo, describiendo el movimiento planetario de manera independiente. Sin embargo, en 1678, Newton, el Moisés moderno, unificó ambos trabajos y advirtió nuevos fenómenos mediante la descripción de la fuerza gravitatoria. En este mismo espíritu, y antes del siglo XIX, Volta y Coulumb habían descrito el fenómeno eléctrico con grande detalle. Pero fue en el 1820 que Orsted identificó magnetismo en relación a la electricidad, sin llegar a vincular ambos fenómenos plenamente. Fue hasta 1861 que Maxwell estableció ecuaciones de la onda electromagnética y, con ello, unificó ambos fenómenos en un solo concepto: el electromagnetismo. Por último, y ya en épocas más actuales y con el desarrollo de la física nuclear, se descubrieron la fuerza nuclear fuerte y débil. Este avance fue importante, pero con el surgimiento del modelo estándar, esta idea de unificación en la que todos los elementos que interactúan se listan, se entendió que estas fuerza tienen lugar gracias a la interacción de bosones. Es decir, los bosones son las partículas portadoras de dichas fuerzas. Así fue que se explicó un fenómeno inicialmente visto como fuerzas en interacciones de partículas.

En esta breve revisión, hemos podido observar el impulso de síntesis que guía a las ciencias. Y, de la misma manera, hemos podido encontrar a las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza que explican cómo interactúan las partículas y los cuerpos en todo el universo conocido. En lo que queda de nuestro texto, revisaremos cada una con cierto detalle.

Resumen

-La gravedad es la fuerza de atracción que actúa entre todas las masas del universo. Es la más débil de las cuatro fuerzas, pero tiene un alcance infinito y es la dominante a grandes escalas, como en la interacción entre planetas y estrellas.

-Para la Teoría General de la Relatividad de Einstein, la gravedad no es una fuerza en el sentido clásico, sino una curvatura del espacio-tiempo provocada por la presencia de masa y energía.

-El electromagnetismo es la fuerza que actúa entre partículas cargadas eléctricamente. Abarca tanto la fuerza eléctrica como la magnética y es responsable de casi todas las interacciones cotidianas a nivel atómico y molecular.

-La Fuerza nuclear fuerte es la que mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico. Es extremadamente fuerte, pero actúa a distancias muy cortas, del orden de los tamaños nucleares. El ejemplo clásico de esta fuerza es la estabilidad de los núcleos atómicos.

La Fuerza nuclear débil es responsable de ciertos tipos de desintegración radiactiva y de las interacciones que involucran neutrinos. Es más débil que la fuerza nuclear fuerte y el electromagnetismo, pero más fuerte que la gravedad a nivel subatómico.

1. Gravitación

Es la fuerza de atracción que actúa entre todas las masas del universo. Es la más débil de las cuatro fuerzas, pero tiene un alcance infinito y es la dominante a grandes escalas, como en la interacción entre planetas y estrellas. Para citar un ejemplo en nuestra vida cotidiana podríamos mencionar la caída de un objeto: cuando sueltas un lapicero, cae al suelo debido a la atracción gravitacional de la Tierra. Se sabe además que la aceleración gravitatoria es de aproximadamente 9.81 m/s² en la superficie terrestre.

Otro ejemplo serían las reglas que organizan la órbita de la Luna: esta orbita alrededor de la Tierra por la fuerza gravitacional que ejerce nuestro planeta. Esta interacción gravitacional entre la Tierra y la Luna crea una fuerza centrípeta que mantiene a la Luna en órbita alrededor de nuestro planeta.

Como se sabe, para la Teoría General de la Relatividad de Einstein, la gravedad no es una fuerza en el sentido clásico, sino una curvatura del espacio-tiempo provocada por la presencia de masa y energía. Esto hace que los cuerpos de menor masa se vean “atraídos” al entorno de los cuerpos con una masa mayor. Además, es la fuerza que mayor problema trae en la actualidad para hacerla calzar en el denominado “modelo estándar”. Esto porque entedemos la gravedad como una fuerza geométrica y no como la interacción entre partículas como en las otras fuerzas a explicar. Seguro más adelante dedicaremos un post exclusivo sobre esta fuerza específica.

2. Electromagnetismo

Es la fuerza que actúa entre partículas cargadas eléctricamente. Abarca tanto la fuerza eléctrica como la magnética y es responsable de casi todas las interacciones cotidianas a nivel atómico y molecular. La fuerza electromagnética es descrita por las ecuaciones de Maxwell, y es responsable de una gran variedad de fenómenos físicos, desde la luz hasta las interacciones químicas entre átomos y moléculas.

Tengo dos ejemplos cercanos: el imán de una nevera y la carga de estática de un globo por frotación. Por un lado, un imán se adhiere a la puerta metálica del refrigerador debido a la fuerza magnética. Por otro lado, cuando frotas un globo contra tu cabello y luego lo acercas a pedacitos de papel, estos son atraídos hacia el globo debido a la carga eléctrica que se ha acumulado. Lo que ha sucedido es que se transfiere una cantidad de electrones al globo y con ello genera una diferencia de potencial eléctrico que atrae pequeños objetos debido a las fuerzas de Coulomb. A esta se le conoce como electricidad estática.

3. Fuerza Nuclear Fuerte

Es la fuerza que mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico. Es extremadamente fuerte, pero actúa a distancias muy cortas, del orden de los tamaños nucleares. El ejemplo clásico de esta fuerza es la estabilidad de los núcleos atómicos: los protones en el núcleo del átomo de helio están muy cerca unos de otros y se repelen por sus cargas positivas, pero la fuerza nuclear fuerte los mantiene unidos.

4. Fuerza Nuclear Débil

Es responsable de ciertos tipos de desintegración radiactiva y de las interacciones que involucran neutrinos. Es más débil que la fuerza nuclear fuerte y el electromagnetismo, pero más fuerte que la gravedad a nivel subatómico. Hay dos ejemplos canónicos de esta fuerza: la desintegración beta y las reacciones nucleares en el sol. Por un lado, en el proceso de desintegración beta, un neutrón en un núcleo atómico se transforma en un protón, un electrón y un anti-neutrino. Todo esto debido a la fuerza nuclear débil. Por otro lado, la fuerza nuclear débil juega un papel crucial en las reacciones de fusión nuclear que tienen lugar en el Sol, donde los protones se convierten en neutrones, liberando energía. Estas son la causa de las explosiones que podemos observar en el sol.