Por Thomas Hornigold para Listverse 31 DE AGOSTO DE 2017
Si alguna vez has visto un episodio de Star Trek o The Big Bang Theory, entonces sabes que la física puede ser accesible a las masas de una manera divertida. Nuestros escritores de ciencia ficción y comedia favoritos no pueden obtener todos los detalles, pero sí despiertan nuestro interés por los aspectos más extraños de las teorías científicas. Hoy vamos a hablar de 10 misterios reales que la física todavía tiene que explicar. Desde la comunicación extraterrestre hasta el viaje en el tiempo hasta los grifos, intentaremos hacer que estos misterios sean comprensibles para todos. Puede que incluso quieras explorar estos temas más a fondo. Después de todo, hay premios de millones de dólares esperando a la gente que resuelve algunos rompecabezas cósmicos. (Sigue leyendo para averiguar cuál de estos 10 misterios podría hacerte rico.) Probablemente recibirás un Premio Nobel y cambiarás el mundo también.
10 ¿De dónde vienen los rayos cósmicos de ultra-alta energía?
Crédito de la foto: National Geographic
Nuestra atmósfera es constantemente golpeada por partículas del espacio exterior con altas energías. Estos son llamados "rayos cósmicos". Aunque no representan mucho daño a los seres humanos, han fascinado a los físicos. La observación de los rayos cósmicos nos ha enseñado mucho sobre la astrofísica y la física de partículas. En 1962, en el experimento del Rancho del Volcán, el Dr. John D. Linsley y Livio Scarsi vieron algo increíble: un rayo cósmico de ultra-alta energía con una energía energía de más de 16 joules. (1) Para darle una perspectiva, un joule es aproximadamente la energía que se necesita para levantar una manzana del suelo sobre una mesa. Toda esa energía se concentra, sin embargo, en una partícula de cien millones de millones de millones de veces más pequeña que la manzana. Eso significa que está viajando muy cerca de la velocidad de la luz Los físicos aún no saben cómo estas partículas obtener esta increíble cantidad de energía. Algunas teorías incluyen la idea de que podrían provenir de supernovas, cuando las estrellas explotan al final de sus vidas. Las partículas también pueden acelerarse en los discos de materia colapsante que se forman alrededor de agujeros negros.
9. ¿Nuestro universo estaba dominado por la inflación?
Crédito de la foto: ctc.cam.ac.uk
El universo es increíblemente plano en grandes escalas. Esto es algo llamado el "principio cosmológico" -la idea de que, dondequiera que vayas en el universo, hay aproximadamente la misma cantidad de cosas en promedio. Pero la teoría del big bang sugiere que, en los tiempos más tempranos, debe haber ha habido algunas grandes diferencias de densidad en el universo primitivo. Así que era mucho más lumpier que nuestro universo es hoy. La teoría de la inflación sugiere que el universo que vemos hoy viene de un volumen minúsculo del universo temprano. Este pequeño volumen de repente y rápidamente se expandió, mucho más rápido que el universo se está expandiendo hoy. Justo como si usted dibujó en un globo y luego lo llenó de aire, la inflación "estiró" todos los grumos en el universo temprano y explica por qué tenemos un bastante plano universo-donde las condiciones son similares donde quiera que vaya-hoy. Aunque esto explica mucho sobre lo que vemos, los físicos todavía no saben lo que causó la inflación. Los detalles de lo que estaba sucediendo durante esta inflación también son incompletos. Una mejor comprensión de esta era podría decirnos mucho sobre el universo como lo es hoy.
8 ¿Podemos encontrar energía oscura y materia oscura?
Crédito de la foto: space.com
Es un hecho asombroso: Sólo alrededor del 5 por ciento del universo consiste en el asunto que podemos ver. Los físicos notaron hace algunas décadas que las estrellas en los bordes exteriores de las galaxias estaban orbitando alrededor del centro de esas galaxias más rápido de lo previsto.
Para explicar esto, los científicos sugirieron que podría haber alguna materia "oscura" invisible en esas galaxias que hizo que las estrellas giraran más rápidamente. Después de esto, las observaciones del universo en expansión llevaron a los físicos a concluir que debía haber mucha más materia oscura, cinco veces más que la materia que podemos ver.
Junto a esto, sabemos que la expansión del universo está acelerándose. Esto es extraño porque esperábamos que la atracción gravitacional de la materia -tanto "ligera" como "oscura" - retardase la expansión del universo.
Combine esto con el hecho de que el universo es plano-espacio-tiempo, en general, no es curvo-y los cosmólogos necesitan una explicación para algo que equilibra la atracción gravitatoria de la materia.
La "energía oscura" es la solución. La mayor parte de la energía del universo no puede encerrarse en la materia, sino que está impulsando la expansión del universo. Los físicos creen que al menos el 70 por ciento de la energía del universo está en forma de energía oscura.
Sin embargo, hasta el día de hoy, las partículas que componen la materia oscura y el campo que compone la energía oscura no se han observado directamente en el laboratorio. Observar la materia oscura es difícil porque no interactúa con la luz, que es cómo las observaciones se hacen generalmente.
Pero los físicos esperan que las partículas de materia oscura puedan ser producidas en el Large Hadron Collider (LHC), donde podrían estudiarse. Podría resultar que las partículas de materia oscura son más pesadas que cualquier cosa que el LHC puede producir, en cuyo caso podría permanecer un misterio durante mucho más tiempo.
La energía oscura es apoyada por muchas observaciones diferentes del universo, pero sigue siendo profundamente misterioso. En un sentido muy real, puede ser que "el espacio simplemente tiene gusto de ampliarse" y podemos verlo solamente que amplía cuando miramos a escalas muy grandes.
O tal vez la materia oscura y las explicaciones de energía oscura son incorrectas, y se necesita una teoría enteramente nueva. Pero tendría que explicar todo lo que vemos mejor que la teoría actual antes de que los físicos la adopten. Aun así, es increíble pensar que podemos saber muy poco acerca del 95 por ciento del universo.
7. ¿Qué hay en el corazón de un agujero negro?
Los agujeros negros son algunos de los objetos más célebres de la astrofísica. Podemos describirlos como regiones del espacio-tiempo con campos gravitacionales tan fuertes que ni la luz puede escapar.
Desde que Albert Einstein demostró que la gravedad "dobla" el espacio y el tiempo con su teoría de la relatividad general, hemos sabido que la luz no es inmune a los efectos gravitacionales. De hecho, la teoría de Einstein se demostró durante un eclipse solar que demostró que la gravedad del Sol estaba desviando rayos distantes de estrellas lejanas.
Desde entonces, se han observado muchos agujeros negros, incluyendo un enorme, supermasivo en el corazón de nuestra propia galaxia. (No te preocupes, no se tragará el Sol en el futuro).
Pero el misterio de lo que ocurre en el corazón de un agujero negro sigue sin resolverse. Algunos físicos pensaban que podría haber una "singularidad" -un punto de densidad infinita con alguna masa concentrada en un espacio infinitamente pequeño. Es difícil de imaginar. Peor aún, cualquier singularidad conduce a un agujero negro en esta teoría, así que no hay manera de que pudiéramos observar una singularidad directamente.
Todavía hay debate sobre si la información se pierde dentro de agujeros negros. (4) Ellos absorben partículas y radiación y emiten radiación Hawking, pero la radiación Hawking no parece contener más información sobre lo que está ocurriendo dentro del agujero negro. Parece que se pierde algo de información sobre las partículas que caen más allá del horizonte de eventos en el agujero negro.
El hecho de que parezca imposible, al menos por el momento, comprender lo que está en el corazón de los agujeros negros ha hecho que los autores de ciencia ficción especularan durante décadas sobre si podían contener diferentes universos o ser utilizados para teletransportación o viajes en el tiempo.
Puesto que ser absorbido por un agujero negro implica ser estirado en una cadena de átomos ("espaguetición"
, no estamos ofreciendo voluntariamente aventurarnos adentro y descubrir.
6. ¿Hay vida inteligente ahí afuera?
La gente ha estado soñando con los extraterrestres mientras han mirado hacia el cielo nocturno y se han preguntado qué podría existir allí. Pero en las últimas décadas, hemos descubierto un montón de piezas tentadoras de la evidencia.
Para empezar, los planetas son mucho más comunes de lo que se pensaba originalmente, y la mayoría de las estrellas tienen un sistema planetario. También sabemos que la brecha de tiempo entre nuestro planeta convirtiéndose en habitable y la vida emergiendo en él era bastante pequeña. ¿Esto sugiere que es probable que la vida se forme? Si es así, tenemos la famosa "paradoja Fermi": ¿Por qué no nos hemos comunicado con los extraterrestres todavía?
Hay muchas soluciones a la paradoja de Fermi, que van desde lo salvaje a lo más triste y mundano. Realmente demuestra la dificultad de llegar a cualquier conclusión científica buena cuando sólo tiene un punto de datos: nosotros.
Sabemos que la vida inteligente evolucionó en este planeta (bueno, tal vez sea discutible), lo que significa que puede suceder. Pero no podemos saber si tenemos una suerte increíble. O tal vez hay algo especial en nuestro planeta que lo hace extremadamente raro pero adecuado para albergar la vida. O tal vez la probabilidad de inicio de la vida es extremadamente baja, por lo que hay pocas, si es que hay, civilizaciones extraterrestres por ahí.
El astrónomo Frank Drake elaboró su "ecuación de Drake" (5) como una manera de ver todos los diferentes aspectos de este problema. Cada uno de los términos representa una razón por la cual no podemos estar comunicando con la vida inteligente.
Quizás la vida es común, pero la vida inteligente es rara. Tal vez, después de un tiempo, todas las civilizaciones deciden no comunicarse con otras formas de vida. Están ahí afuera, pero no quieren hablar con nosotros.
O, escalofriantemente, tal vez esto demuestra que muchas civilizaciones alienígenas se destruyen poco después de llegar a ser lo suficientemente avanzada tecnológicamente para comunicarse. Podemos preocuparnos de que esto suceda en la Tierra con armas nucleares o IA fuera de control.
Incluso se ha sugerido que la falta de comunicación de los extraterrestres es una prueba de que el mundo fue creado por Dios o como parte de una simulación por computadora. Esto explicaría por qué sólo nosotros. Los jugadores cósmicos están jugando en modo de un solo jugador.
La realidad es que no hemos estado buscando durante tanto tiempo, y el espacio es inimaginablemente vasto. Las señales pueden fácilmente perderse, y una civilización extraterrestre tendría que enviar una poderosa señal de radio para que la recojamos. Pero es emocionante pensar que el descubrimiento de una civilización extraterrestre podría suceder mañana y cambiar nuestra comprensión del universo para siempre.
5. ¿Puede cualquier cosa viajar más rápido que la velocidad de la luz?
Desde que Einstein cambió el rostro de la física con su teoría de la relatividad especial, los físicos han estado seguros de que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. De hecho, la relatividad predice que para cualquier cosa con masa incluso viajar a la velocidad de la luz, se requiere energía infinita.
Lo vemos en los rayos cósmicos de ultra-alta energía mencionados anteriormente. Tienen energías extraordinarias en relación con su tamaño, pero todavía no viajan tan rápido. La velocidad de la luz como un límite difícil también podría explicar por qué las comunicaciones de las civilizaciones extraterrestres son poco probables. Si también están limitados por esto, las señales podrían tardar miles de años en llegar.
Pero la gente está continuamente preguntando si puede haber alguna forma de evitar el límite de velocidad del universo. En 2011, el experimento OPERA tuvo algunos resultados preliminares que sugirieron que los neutrinos viajaban más rápido que la velocidad de la luz. Pero los investigadores más tarde notaron algunos errores adicionales en su configuración experimental que confirmaron que los resultados eran incorrectos.
Si alguna forma de comunicar materia o información más rápido que la velocidad de la luz existe, sin duda, cambiaría el mundo. Un viaje más rápido que la luz viola algo llamado causalidad: la relación entre las causas y los efectos de los eventos.
Debido a la forma en que el tiempo y el espacio están interrelacionados en la relatividad especial, la información que viaja más rápido que la velocidad de la luz permitiría a una persona recibir información sobre un evento antes de que haya "sucedido" (según ellos) -un tipo de viaje en el tiempo. Una comunicación más rápida que la luz crearía todo tipo de paradojas que no sabemos cómo resolver. Por lo tanto, parece probable que no exista. Pero si usted logra desarrollarla, por favor díganos sobre ella ayer.
4. ¿Podemos encontrar una manera de describir la turbulencia?
Volviendo a la Tierra, todavía hay muchas cosas que ocurren en nuestra vida cotidiana que son difíciles de entender. Trate de jugar con los grifos en su casa.
Si dejas que el agua fluya suavemente, estás mirando a la física resuelta, un tipo de flujo que entendemos bien como "flujo laminar". Pero si subes el agua a la presión máxima y ves que salpica, mirando un ejemplo de turbulencia. En muchos sentidos, la turbulencia sigue siendo un problema sin resolver en la física. (7)
La ecuación de Navier-Stokes determina cómo fluir fluidos como el agua y el aire. Esta ecuación es un poco como un equilibrio de fuerza. Imaginamos que el fluido se divide en pequeñas parcelas de masa. Entonces la ecuación tiene en cuenta todas las fuerzas que actúan sobre esta parcela -gravedad, fricción, presión- e intenta determinar cómo debe responder la velocidad de la parcela.
Para flujos simples o constantes, podemos encontrar soluciones a la ecuación de Navier-Stokes que describen completamente el flujo. Los físicos pueden escribir una ecuación que le indica la velocidad (velocidad y dirección) del fluido en cualquier punto del flujo.
Pero para los flujos turbulentos complicados, estas soluciones comienzan a descomponerse. Todavía podemos hacer mucha ciencia con flujos turbulentos resolviendo las ecuaciones numéricamente con ordenadores grandes. Esto nos da una respuesta aproximada sin una fórmula que explique completamente cómo se está comportando el fluido.
Pronosticamos el tiempo de esta manera. Pero hasta que encontremos esas soluciones elusivas, nuestro conocimiento será incompleto. Por cierto, este es uno de los problemas sin resolver del Premio del Instituto Clay. Así que si lo administra, hay un millón de dólares en él para usted.
3. ¿Podemos construir un superconductor de temperatura ambiente?
Crédito de la foto: newatlas.com
Los superconductores podrían ser algunos de los dispositivos y tecnologías más importantes que los humanos han descubierto. Son tipos especiales de material. Cuando la temperatura baja suficientemente, la resistencia eléctrica del material cae a cero.
Esto significa que puede obtener corrientes enormes para una pequeña aplicación de voltaje a través del superconductor. (8) Si usted fija la corriente eléctrica que fluye en un alambre superconductor, puede continuar fluyendo por mil millones de años sin la disipación porque no hay ninguna resistencia a su flujo.
Una gran cantidad de energía se pierde en nuestros actuales cables de alimentación. No son superconductores y tienen resistencia eléctrica, lo que hace que se calienten al pasar una corriente a través de ellos. Los superconductores podrían reducir estas pérdidas a cero.
Pero las posibilidades de los superconductores son aún más emocionantes que esto. El campo magnético producido por un alambre tiene una fuerza que depende de la corriente que fluye a través de ese alambre. Si puede obtener corrientes muy altas en un superconductor a bajo costo, puede obtener campos magnéticos realmente potentes.
Estos campos se utilizan actualmente en el Gran Colisionador de Hadrones para desviar las partículas cargadas de movimiento rápido alrededor de su anillo. También se utilizan en reactores experimentales de fusión nuclear, que podrían proporcionar nuestra electricidad en el futuro.
El problema es que todos los superconductores conocidos necesitan estar a estas muy bajas temperaturas para trabajar. Incluso nuestros superconductores de temperaturas más altas necesitan estar a -140 grados centígrados (-220 ° F) antes de que comiencen a exhibir esta maravillosa propiedad.
Enfriarlos a estas bajas temperaturas generalmente requiere nitrógeno líquido o algo similar. Por lo tanto, es muy costoso de hacer. Muchos físicos y científicos de materiales de todo el mundo están trabajando en el desarrollo del santo grial, un superconductor que podría funcionar a temperatura ambiente. Pero nadie lo ha conseguido todavía.
2. ¿Por qué hay más materia que la antimateria?
Crédito de la foto: sciencefocus.com
De alguna manera, todavía no sabemos por qué existe algo. ¡Una declaración audaz pero verdad! Para cada partícula, hay una partícula igual y opuesta llamada antipartícula. Así que para los electrones, hay positrones. Para los protones, hay antiprotones. Y así.
Si una partícula toca alguna vez su antipartícula, se aniquilan y se convierten en radiación. Ya que probablemente no quieren ser aniquilados, es bueno que la antimateria sea increíblemente rara. A veces, cae en los rayos cósmicos. También podemos hacer antimateria en aceleradores de partículas por billones de dólares por gramo. Pero en general, parece ser increíblemente raro en nuestro universo.
Este es un verdadero misterio. Simplemente no sabemos por qué la materia domina en nuestro universo y no la antimateria. Cada proceso conocido que cambia la energía (radiación) en materia produce la misma cantidad de materia y antimateria. Así que si el universo comenzó dominado por la energía, ¿por qué no produjo entonces cantidades iguales de materia y antimateria?
Podemos imaginar un universo donde la energía se convierte en pares materia-antimateria. Entonces se aniquilarían y volverían a ser energía para siempre. Pero no habría estructura, ni estrellas, ni vida.
Hay algunas teorías que podrían explicar esto. Los científicos que investigan las interacciones de las partículas en el Gran Colisionador de Hadrones están buscando ejemplos de "violación CP.
"Si ocurren, estas interacciones podrían mostrar que las leyes de la física son diferentes para la materia y las partículas de la antimateria. Entonces podemos imaginar que quizás haya procesos por ahí que son ligeramente más propensos a producir materia que antimateria y es por eso que vemos un universo asimétrico dominado por la materia.
Las teorías más salvajes sugieren que podría haber regiones enteras del universo que están dominadas por la antimateria. Curiosamente, podría ser más difícil disputar esto de lo que piensas.
La antimateria y la materia interactúan con la radiación de la misma manera, por lo que se ven exactamente iguales. Nuestros telescopios no podían distinguir entre una galaxia de antimateria y una galaxia de materia.
Pero estas teorías tienen que explicar cómo la materia y la antimateria se separaron y por qué no vemos evidencia de mucha radiación producida cuando la materia y la antimateria chocan y aniquilan.
A menos que descubrimos evidencia de las galaxias de antimateria, la violación de CP en el universo primitivo parece la mejor solución. Pero todavía no sabemos exactamente cómo funciona.
1. ¿Podemos tener una teoría unificada?
En el siglo XX, se desarrollaron dos grandes teorías que explicaban mucho sobre la física. Uno de ellos era la mecánica cuántica, que detallaba cómo las diminutas partículas subatómicas se comportaban e interactuaban. La mecánica cuántica y el modelo estándar de la física de partículas han explicado tres de las cuatro fuerzas físicas de la naturaleza: el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles. Sus predicciones son sorprendentemente precisas, a pesar de que la gente todavía discute sobre las implicaciones filosóficas de la teoría.
La otra gran teoría era la relatividad general de Einstein, que explica la gravedad. En relatividad general, la gravedad se produce cuando la presencia de la masa dobla el espacio y el tiempo, haciendo que las partículas sigan trayectorias curvadas debido a que el espacio-tiempo está doblado. Puede explicar las cosas que ocurren en las escalas más grandes: la formación de galaxias y la danza de las estrellas.
Sólo hay un problema. Las dos teorías son incompatibles. No podemos explicar la gravedad de una manera que tenga sentido con la mecánica cuántica, y la relatividad general no incluye los efectos de la mecánica cuántica. Por lo que podemos decir, ambas teorías son correctas. Pero no parecen trabajar juntos. (10)
Desde que esto se realizó, los físicos han estado trabajando en algún tipo de solución que pueda conciliar las dos teorías. Esto se llama una Gran Teoría Unificada (GUT) o simplemente la Teoría de Todo.
Los científicos están acostumbrados a la idea de teorías que sólo funcionan dentro de ciertos límites. Por ejemplo, las leyes de Newton del movimiento son lo que obtienes cuando tomas un límite de baja velocidad de la relatividad especial. Además, la electricidad y el magnetismo solían considerarse teorías completamente diferentes hasta que Maxwell las unificó en electromagnetismo.
Los físicos esperan poder "alejar" y ver que la mecánica cuántica y la relatividad general forman parte de una teoría mayor, como parches en una colcha. La teoría de cuerdas es un intento que puede reproducir características de la relatividad general y la mecánica cuántica. Pero es difícil probar sus predicciones con experimentos, por lo que no se puede confirmar.
La búsqueda de una teoría fundamental -que puede explicar todo- continúa. Tal vez nunca lo encontremos. Pero si la física nos ha enseñado algo, es que el universo es realmente notable y siempre hay cosas nuevas que descubrir.
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Si alguna vez has visto un episodio de Star Trek o The Big Bang Theory, entonces sabes que la física puede ser accesible a las masas de una manera divertida. Nuestros escritores de ciencia ficción y comedia favoritos no pueden obtener todos los detalles, pero sí despiertan nuestro interés por los aspectos más extraños de las teorías científicas. Hoy vamos a hablar de 10 misterios reales que la física todavía tiene que explicar. Desde la comunicación extraterrestre hasta el viaje en el tiempo hasta los grifos, intentaremos hacer que estos misterios sean comprensibles para todos. Puede que incluso quieras explorar estos temas más a fondo. Después de todo, hay premios de millones de dólares esperando a la gente que resuelve algunos rompecabezas cósmicos. (Sigue leyendo para averiguar cuál de estos 10 misterios podría hacerte rico.) Probablemente recibirás un Premio Nobel y cambiarás el mundo también.
10 ¿De dónde vienen los rayos cósmicos de ultra-alta energía?
Crédito de la foto: National Geographic
Nuestra atmósfera es constantemente golpeada por partículas del espacio exterior con altas energías. Estos son llamados "rayos cósmicos". Aunque no representan mucho daño a los seres humanos, han fascinado a los físicos. La observación de los rayos cósmicos nos ha enseñado mucho sobre la astrofísica y la física de partículas. En 1962, en el experimento del Rancho del Volcán, el Dr. John D. Linsley y Livio Scarsi vieron algo increíble: un rayo cósmico de ultra-alta energía con una energía energía de más de 16 joules. (1) Para darle una perspectiva, un joule es aproximadamente la energía que se necesita para levantar una manzana del suelo sobre una mesa. Toda esa energía se concentra, sin embargo, en una partícula de cien millones de millones de millones de veces más pequeña que la manzana. Eso significa que está viajando muy cerca de la velocidad de la luz Los físicos aún no saben cómo estas partículas obtener esta increíble cantidad de energía. Algunas teorías incluyen la idea de que podrían provenir de supernovas, cuando las estrellas explotan al final de sus vidas. Las partículas también pueden acelerarse en los discos de materia colapsante que se forman alrededor de agujeros negros.
9. ¿Nuestro universo estaba dominado por la inflación?
Crédito de la foto: ctc.cam.ac.uk
El universo es increíblemente plano en grandes escalas. Esto es algo llamado el "principio cosmológico" -la idea de que, dondequiera que vayas en el universo, hay aproximadamente la misma cantidad de cosas en promedio. Pero la teoría del big bang sugiere que, en los tiempos más tempranos, debe haber ha habido algunas grandes diferencias de densidad en el universo primitivo. Así que era mucho más lumpier que nuestro universo es hoy. La teoría de la inflación sugiere que el universo que vemos hoy viene de un volumen minúsculo del universo temprano. Este pequeño volumen de repente y rápidamente se expandió, mucho más rápido que el universo se está expandiendo hoy. Justo como si usted dibujó en un globo y luego lo llenó de aire, la inflación "estiró" todos los grumos en el universo temprano y explica por qué tenemos un bastante plano universo-donde las condiciones son similares donde quiera que vaya-hoy. Aunque esto explica mucho sobre lo que vemos, los físicos todavía no saben lo que causó la inflación. Los detalles de lo que estaba sucediendo durante esta inflación también son incompletos. Una mejor comprensión de esta era podría decirnos mucho sobre el universo como lo es hoy.
8 ¿Podemos encontrar energía oscura y materia oscura?
Crédito de la foto: space.com
Es un hecho asombroso: Sólo alrededor del 5 por ciento del universo consiste en el asunto que podemos ver. Los físicos notaron hace algunas décadas que las estrellas en los bordes exteriores de las galaxias estaban orbitando alrededor del centro de esas galaxias más rápido de lo previsto.
Para explicar esto, los científicos sugirieron que podría haber alguna materia "oscura" invisible en esas galaxias que hizo que las estrellas giraran más rápidamente. Después de esto, las observaciones del universo en expansión llevaron a los físicos a concluir que debía haber mucha más materia oscura, cinco veces más que la materia que podemos ver.
Junto a esto, sabemos que la expansión del universo está acelerándose. Esto es extraño porque esperábamos que la atracción gravitacional de la materia -tanto "ligera" como "oscura" - retardase la expansión del universo.
Combine esto con el hecho de que el universo es plano-espacio-tiempo, en general, no es curvo-y los cosmólogos necesitan una explicación para algo que equilibra la atracción gravitatoria de la materia.
La "energía oscura" es la solución. La mayor parte de la energía del universo no puede encerrarse en la materia, sino que está impulsando la expansión del universo. Los físicos creen que al menos el 70 por ciento de la energía del universo está en forma de energía oscura.
Sin embargo, hasta el día de hoy, las partículas que componen la materia oscura y el campo que compone la energía oscura no se han observado directamente en el laboratorio. Observar la materia oscura es difícil porque no interactúa con la luz, que es cómo las observaciones se hacen generalmente.
Pero los físicos esperan que las partículas de materia oscura puedan ser producidas en el Large Hadron Collider (LHC), donde podrían estudiarse. Podría resultar que las partículas de materia oscura son más pesadas que cualquier cosa que el LHC puede producir, en cuyo caso podría permanecer un misterio durante mucho más tiempo.
La energía oscura es apoyada por muchas observaciones diferentes del universo, pero sigue siendo profundamente misterioso. En un sentido muy real, puede ser que "el espacio simplemente tiene gusto de ampliarse" y podemos verlo solamente que amplía cuando miramos a escalas muy grandes.
O tal vez la materia oscura y las explicaciones de energía oscura son incorrectas, y se necesita una teoría enteramente nueva. Pero tendría que explicar todo lo que vemos mejor que la teoría actual antes de que los físicos la adopten. Aun así, es increíble pensar que podemos saber muy poco acerca del 95 por ciento del universo.
7. ¿Qué hay en el corazón de un agujero negro?
Los agujeros negros son algunos de los objetos más célebres de la astrofísica. Podemos describirlos como regiones del espacio-tiempo con campos gravitacionales tan fuertes que ni la luz puede escapar.
Desde que Albert Einstein demostró que la gravedad "dobla" el espacio y el tiempo con su teoría de la relatividad general, hemos sabido que la luz no es inmune a los efectos gravitacionales. De hecho, la teoría de Einstein se demostró durante un eclipse solar que demostró que la gravedad del Sol estaba desviando rayos distantes de estrellas lejanas.
Desde entonces, se han observado muchos agujeros negros, incluyendo un enorme, supermasivo en el corazón de nuestra propia galaxia. (No te preocupes, no se tragará el Sol en el futuro).
Pero el misterio de lo que ocurre en el corazón de un agujero negro sigue sin resolverse. Algunos físicos pensaban que podría haber una "singularidad" -un punto de densidad infinita con alguna masa concentrada en un espacio infinitamente pequeño. Es difícil de imaginar. Peor aún, cualquier singularidad conduce a un agujero negro en esta teoría, así que no hay manera de que pudiéramos observar una singularidad directamente.
Todavía hay debate sobre si la información se pierde dentro de agujeros negros. (4) Ellos absorben partículas y radiación y emiten radiación Hawking, pero la radiación Hawking no parece contener más información sobre lo que está ocurriendo dentro del agujero negro. Parece que se pierde algo de información sobre las partículas que caen más allá del horizonte de eventos en el agujero negro.
El hecho de que parezca imposible, al menos por el momento, comprender lo que está en el corazón de los agujeros negros ha hecho que los autores de ciencia ficción especularan durante décadas sobre si podían contener diferentes universos o ser utilizados para teletransportación o viajes en el tiempo.
Puesto que ser absorbido por un agujero negro implica ser estirado en una cadena de átomos ("espaguetición"
, no estamos ofreciendo voluntariamente aventurarnos adentro y descubrir.
6. ¿Hay vida inteligente ahí afuera?
La gente ha estado soñando con los extraterrestres mientras han mirado hacia el cielo nocturno y se han preguntado qué podría existir allí. Pero en las últimas décadas, hemos descubierto un montón de piezas tentadoras de la evidencia.
Para empezar, los planetas son mucho más comunes de lo que se pensaba originalmente, y la mayoría de las estrellas tienen un sistema planetario. También sabemos que la brecha de tiempo entre nuestro planeta convirtiéndose en habitable y la vida emergiendo en él era bastante pequeña. ¿Esto sugiere que es probable que la vida se forme? Si es así, tenemos la famosa "paradoja Fermi": ¿Por qué no nos hemos comunicado con los extraterrestres todavía?
Hay muchas soluciones a la paradoja de Fermi, que van desde lo salvaje a lo más triste y mundano. Realmente demuestra la dificultad de llegar a cualquier conclusión científica buena cuando sólo tiene un punto de datos: nosotros.
Sabemos que la vida inteligente evolucionó en este planeta (bueno, tal vez sea discutible), lo que significa que puede suceder. Pero no podemos saber si tenemos una suerte increíble. O tal vez hay algo especial en nuestro planeta que lo hace extremadamente raro pero adecuado para albergar la vida. O tal vez la probabilidad de inicio de la vida es extremadamente baja, por lo que hay pocas, si es que hay, civilizaciones extraterrestres por ahí.
El astrónomo Frank Drake elaboró su "ecuación de Drake" (5) como una manera de ver todos los diferentes aspectos de este problema. Cada uno de los términos representa una razón por la cual no podemos estar comunicando con la vida inteligente.
Quizás la vida es común, pero la vida inteligente es rara. Tal vez, después de un tiempo, todas las civilizaciones deciden no comunicarse con otras formas de vida. Están ahí afuera, pero no quieren hablar con nosotros.
O, escalofriantemente, tal vez esto demuestra que muchas civilizaciones alienígenas se destruyen poco después de llegar a ser lo suficientemente avanzada tecnológicamente para comunicarse. Podemos preocuparnos de que esto suceda en la Tierra con armas nucleares o IA fuera de control.
Incluso se ha sugerido que la falta de comunicación de los extraterrestres es una prueba de que el mundo fue creado por Dios o como parte de una simulación por computadora. Esto explicaría por qué sólo nosotros. Los jugadores cósmicos están jugando en modo de un solo jugador.
La realidad es que no hemos estado buscando durante tanto tiempo, y el espacio es inimaginablemente vasto. Las señales pueden fácilmente perderse, y una civilización extraterrestre tendría que enviar una poderosa señal de radio para que la recojamos. Pero es emocionante pensar que el descubrimiento de una civilización extraterrestre podría suceder mañana y cambiar nuestra comprensión del universo para siempre.
5. ¿Puede cualquier cosa viajar más rápido que la velocidad de la luz?
Desde que Einstein cambió el rostro de la física con su teoría de la relatividad especial, los físicos han estado seguros de que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. De hecho, la relatividad predice que para cualquier cosa con masa incluso viajar a la velocidad de la luz, se requiere energía infinita.
Lo vemos en los rayos cósmicos de ultra-alta energía mencionados anteriormente. Tienen energías extraordinarias en relación con su tamaño, pero todavía no viajan tan rápido. La velocidad de la luz como un límite difícil también podría explicar por qué las comunicaciones de las civilizaciones extraterrestres son poco probables. Si también están limitados por esto, las señales podrían tardar miles de años en llegar.
Pero la gente está continuamente preguntando si puede haber alguna forma de evitar el límite de velocidad del universo. En 2011, el experimento OPERA tuvo algunos resultados preliminares que sugirieron que los neutrinos viajaban más rápido que la velocidad de la luz. Pero los investigadores más tarde notaron algunos errores adicionales en su configuración experimental que confirmaron que los resultados eran incorrectos.
Si alguna forma de comunicar materia o información más rápido que la velocidad de la luz existe, sin duda, cambiaría el mundo. Un viaje más rápido que la luz viola algo llamado causalidad: la relación entre las causas y los efectos de los eventos.
Debido a la forma en que el tiempo y el espacio están interrelacionados en la relatividad especial, la información que viaja más rápido que la velocidad de la luz permitiría a una persona recibir información sobre un evento antes de que haya "sucedido" (según ellos) -un tipo de viaje en el tiempo. Una comunicación más rápida que la luz crearía todo tipo de paradojas que no sabemos cómo resolver. Por lo tanto, parece probable que no exista. Pero si usted logra desarrollarla, por favor díganos sobre ella ayer.
4. ¿Podemos encontrar una manera de describir la turbulencia?
Volviendo a la Tierra, todavía hay muchas cosas que ocurren en nuestra vida cotidiana que son difíciles de entender. Trate de jugar con los grifos en su casa.
Si dejas que el agua fluya suavemente, estás mirando a la física resuelta, un tipo de flujo que entendemos bien como "flujo laminar". Pero si subes el agua a la presión máxima y ves que salpica, mirando un ejemplo de turbulencia. En muchos sentidos, la turbulencia sigue siendo un problema sin resolver en la física. (7)
La ecuación de Navier-Stokes determina cómo fluir fluidos como el agua y el aire. Esta ecuación es un poco como un equilibrio de fuerza. Imaginamos que el fluido se divide en pequeñas parcelas de masa. Entonces la ecuación tiene en cuenta todas las fuerzas que actúan sobre esta parcela -gravedad, fricción, presión- e intenta determinar cómo debe responder la velocidad de la parcela.
Para flujos simples o constantes, podemos encontrar soluciones a la ecuación de Navier-Stokes que describen completamente el flujo. Los físicos pueden escribir una ecuación que le indica la velocidad (velocidad y dirección) del fluido en cualquier punto del flujo.
Pero para los flujos turbulentos complicados, estas soluciones comienzan a descomponerse. Todavía podemos hacer mucha ciencia con flujos turbulentos resolviendo las ecuaciones numéricamente con ordenadores grandes. Esto nos da una respuesta aproximada sin una fórmula que explique completamente cómo se está comportando el fluido.
Pronosticamos el tiempo de esta manera. Pero hasta que encontremos esas soluciones elusivas, nuestro conocimiento será incompleto. Por cierto, este es uno de los problemas sin resolver del Premio del Instituto Clay. Así que si lo administra, hay un millón de dólares en él para usted.
3. ¿Podemos construir un superconductor de temperatura ambiente?
Crédito de la foto: newatlas.com
Los superconductores podrían ser algunos de los dispositivos y tecnologías más importantes que los humanos han descubierto. Son tipos especiales de material. Cuando la temperatura baja suficientemente, la resistencia eléctrica del material cae a cero.
Esto significa que puede obtener corrientes enormes para una pequeña aplicación de voltaje a través del superconductor. (8) Si usted fija la corriente eléctrica que fluye en un alambre superconductor, puede continuar fluyendo por mil millones de años sin la disipación porque no hay ninguna resistencia a su flujo.
Una gran cantidad de energía se pierde en nuestros actuales cables de alimentación. No son superconductores y tienen resistencia eléctrica, lo que hace que se calienten al pasar una corriente a través de ellos. Los superconductores podrían reducir estas pérdidas a cero.
Pero las posibilidades de los superconductores son aún más emocionantes que esto. El campo magnético producido por un alambre tiene una fuerza que depende de la corriente que fluye a través de ese alambre. Si puede obtener corrientes muy altas en un superconductor a bajo costo, puede obtener campos magnéticos realmente potentes.
Estos campos se utilizan actualmente en el Gran Colisionador de Hadrones para desviar las partículas cargadas de movimiento rápido alrededor de su anillo. También se utilizan en reactores experimentales de fusión nuclear, que podrían proporcionar nuestra electricidad en el futuro.
El problema es que todos los superconductores conocidos necesitan estar a estas muy bajas temperaturas para trabajar. Incluso nuestros superconductores de temperaturas más altas necesitan estar a -140 grados centígrados (-220 ° F) antes de que comiencen a exhibir esta maravillosa propiedad.
Enfriarlos a estas bajas temperaturas generalmente requiere nitrógeno líquido o algo similar. Por lo tanto, es muy costoso de hacer. Muchos físicos y científicos de materiales de todo el mundo están trabajando en el desarrollo del santo grial, un superconductor que podría funcionar a temperatura ambiente. Pero nadie lo ha conseguido todavía.
2. ¿Por qué hay más materia que la antimateria?
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De alguna manera, todavía no sabemos por qué existe algo. ¡Una declaración audaz pero verdad! Para cada partícula, hay una partícula igual y opuesta llamada antipartícula. Así que para los electrones, hay positrones. Para los protones, hay antiprotones. Y así.
Si una partícula toca alguna vez su antipartícula, se aniquilan y se convierten en radiación. Ya que probablemente no quieren ser aniquilados, es bueno que la antimateria sea increíblemente rara. A veces, cae en los rayos cósmicos. También podemos hacer antimateria en aceleradores de partículas por billones de dólares por gramo. Pero en general, parece ser increíblemente raro en nuestro universo.
Este es un verdadero misterio. Simplemente no sabemos por qué la materia domina en nuestro universo y no la antimateria. Cada proceso conocido que cambia la energía (radiación) en materia produce la misma cantidad de materia y antimateria. Así que si el universo comenzó dominado por la energía, ¿por qué no produjo entonces cantidades iguales de materia y antimateria?
Podemos imaginar un universo donde la energía se convierte en pares materia-antimateria. Entonces se aniquilarían y volverían a ser energía para siempre. Pero no habría estructura, ni estrellas, ni vida.
Hay algunas teorías que podrían explicar esto. Los científicos que investigan las interacciones de las partículas en el Gran Colisionador de Hadrones están buscando ejemplos de "violación CP.
"Si ocurren, estas interacciones podrían mostrar que las leyes de la física son diferentes para la materia y las partículas de la antimateria. Entonces podemos imaginar que quizás haya procesos por ahí que son ligeramente más propensos a producir materia que antimateria y es por eso que vemos un universo asimétrico dominado por la materia.
Las teorías más salvajes sugieren que podría haber regiones enteras del universo que están dominadas por la antimateria. Curiosamente, podría ser más difícil disputar esto de lo que piensas.
La antimateria y la materia interactúan con la radiación de la misma manera, por lo que se ven exactamente iguales. Nuestros telescopios no podían distinguir entre una galaxia de antimateria y una galaxia de materia.
Pero estas teorías tienen que explicar cómo la materia y la antimateria se separaron y por qué no vemos evidencia de mucha radiación producida cuando la materia y la antimateria chocan y aniquilan.
A menos que descubrimos evidencia de las galaxias de antimateria, la violación de CP en el universo primitivo parece la mejor solución. Pero todavía no sabemos exactamente cómo funciona.
1. ¿Podemos tener una teoría unificada?
En el siglo XX, se desarrollaron dos grandes teorías que explicaban mucho sobre la física. Uno de ellos era la mecánica cuántica, que detallaba cómo las diminutas partículas subatómicas se comportaban e interactuaban. La mecánica cuántica y el modelo estándar de la física de partículas han explicado tres de las cuatro fuerzas físicas de la naturaleza: el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles. Sus predicciones son sorprendentemente precisas, a pesar de que la gente todavía discute sobre las implicaciones filosóficas de la teoría.
La otra gran teoría era la relatividad general de Einstein, que explica la gravedad. En relatividad general, la gravedad se produce cuando la presencia de la masa dobla el espacio y el tiempo, haciendo que las partículas sigan trayectorias curvadas debido a que el espacio-tiempo está doblado. Puede explicar las cosas que ocurren en las escalas más grandes: la formación de galaxias y la danza de las estrellas.
Sólo hay un problema. Las dos teorías son incompatibles. No podemos explicar la gravedad de una manera que tenga sentido con la mecánica cuántica, y la relatividad general no incluye los efectos de la mecánica cuántica. Por lo que podemos decir, ambas teorías son correctas. Pero no parecen trabajar juntos. (10)
Desde que esto se realizó, los físicos han estado trabajando en algún tipo de solución que pueda conciliar las dos teorías. Esto se llama una Gran Teoría Unificada (GUT) o simplemente la Teoría de Todo.
Los científicos están acostumbrados a la idea de teorías que sólo funcionan dentro de ciertos límites. Por ejemplo, las leyes de Newton del movimiento son lo que obtienes cuando tomas un límite de baja velocidad de la relatividad especial. Además, la electricidad y el magnetismo solían considerarse teorías completamente diferentes hasta que Maxwell las unificó en electromagnetismo.
Los físicos esperan poder "alejar" y ver que la mecánica cuántica y la relatividad general forman parte de una teoría mayor, como parches en una colcha. La teoría de cuerdas es un intento que puede reproducir características de la relatividad general y la mecánica cuántica. Pero es difícil probar sus predicciones con experimentos, por lo que no se puede confirmar.
La búsqueda de una teoría fundamental -que puede explicar todo- continúa. Tal vez nunca lo encontremos. Pero si la física nos ha enseñado algo, es que el universo es realmente notable y siempre hay cosas nuevas que descubrir.
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