La física también tuvo lugar en Science Fest Muy Málaga 2024, de la mano De Francisco Villatoro. A continuación tienes la charla completa.
Transcripción editada de la charla de Francisco Villatoro
La naturaleza cuántica de la realidad es la pregunta sin respuesta más importante del siglo XXI. Nos gustaría tener una respuesta por las razones que les voy a exponer.
Hoy sabemos que todo en el universo está hecho de partículas fundamentales, que son excitaciones de campos cuánticos, y tenemos una descripción increíblemente precisa de dichas partículas y dichos campos. Por desgracia, no tenemos una descripción cuántica del tiempo, el espacio y la gravitación, y nos gustaría tenerla porque creemos que debe existir para poder unificar lo que sabemos de las partículas con lo que sabemos del espacio-tiempo.
Hemos observado ondas gravitacionales asociadas a la fusión de agujeros negros, pero lo que tenemos un conocimiento muy firme es sobre las partículas fundamentales. Sabemos que hay partículas de materia, los fermiones, y partículas de interacción, los bosones. Entre los fermiones, tenemos tres familias y 24 partículas en total: quarks tipo arriba y tipo abajo, de tres colores; leptones cargados (tipo electrón) o neutros (tipo neutrino). Además, de estas 24 partículas, tenemos sus antipartículas.
También tenemos partículas para las interacciones, que median las fuerzas entre fermiones, asociadas a los bosones. Conocemos ocho gluones, que median las interacciones entre partículas con carga de color, como los quarks. Tenemos el fotón, que media la interacción electromagnética entre partículas con carga eléctrica. Tenemos tres bosones débiles: W y Z, y también tenemos el bosón de Higgs.
Estas partículas son excitaciones de campos, no son fundamentales. Lo fundamental son los campos cuánticos. Conocemos 118 campos cuánticos: 36 campos fermiónicos asociados a los quarks y 9 asociados a los leptones. Es sorprendente, pero la interacción débil, responsable de la radiactividad de los núcleos, diferencia entre izquierda y derecha. Las partículas, como el electrón, son excitaciones de un campo izquierdo y derecho, y la interacción débil ve una diferencia entre estas componentes.
Además, tenemos campos que median las interacciones: campos bosónicos. Tenemos 8 gluones y un fotón, que son partículas sin masa con dos campos asociados. Tenemos los bosones W y Z, que tienen masa y tres campos asociados, y el bosón de Higgs que tiene uno. Si sumamos, 90 más 28 nos da 118 campos cuánticos fundamentales, que coinciden con el número de elementos químicos descubiertos.
Sin embargo, no conocemos la naturaleza cuántica del tiempo, del espacio y de la gravitación, y ese es el gran problema que nos gustaría resolver. ¿Por qué la realidad física tiene una naturaleza dual, un espacio-tiempo clásico y unas partículas cuánticas? Creemos que sería ideal alcanzar el sueño de Einstein: una teoría unificada o teoría del todo que describa a nivel cuántico tanto el espacio-tiempo y la gravitación como las partículas y sus interacciones.
Los físicos estudiamos la realidad, pero solo alcanzamos a ver la realidad física, esperando que, con el tiempo, se acerque a la realidad. La materia está hecha de átomos, y los átomos son electrones ligados a núcleos por fotones. Los núcleos están hechos de protones y neutrones, ligados entre sí por piones. Protones, neutrones, electrones, quarks, gluones, fotones, neutrinos y el bosón de Higgs son partículas fundamentales, pero los campos cuánticos no son observables.
No podemos observar con un experimento cuánto vale en cada punto del espacio y en cada instante del tiempo un campo cuántico. Solo podemos observar las partículas, sus excitaciones de tipo partícula. A baja energía, esas excitaciones se comportan como partículas y, a baja velocidad, se rigen por la ecuación de Schrödinger.
La ecuación de Schrödinger nos describe cómo evoluciona la información que tenemos sobre una distribución de partículas, pero la función de onda no existe en la naturaleza, es solo un instrumento matemático. Además, el tiempo en dicha ecuación es una magnitud clásica, no cuántica.
El principio fundacional de la mecánica cuántica es el principio de indeterminación de Heisenberg, que nos dice que una partícula no tiene posición ni velocidad definidas; hay una incertidumbre para ambas, que multiplicadas deben ser mayores que un valor mínimo. No se puede medir la posición de una partícula con error cero, ni su velocidad.
Albert Einstein, entre otros, creía que tenía que existir una realidad clásica subyacente a la mecánica cuántica, con variables ocultas que describen las posiciones y las velocidades de las partículas de manera precisa. Para probar esto, Einstein propuso un experimento mental, el experimento EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) en 1935, que involucraba la desintegración de un núcleo atómico en dos partículas entrelazadas.
Sin embargo, Einstein murió buscando contraejemplos al principio de Heisenberg, como el caso de la desintegración débil en un núcleo de tritio. En sus cálculos, parecía que el principio de indeterminación se incumplía por un factor de 400. Pero la naturaleza nos dice lo que muestran los experimentos, y en 1950, la física Madame Wu demostró que el principio de incertidumbre se cumplía perfectamente.
Durante los últimos 100 años, todos los experimentos han demostrado que el principio de Heisenberg es correcto, lo que fue premiado con el Premio Nobel de Física de 2022 para Aspect, Clauser y Zeilinger.
Los físicos creemos que la naturaleza es cuántica, creemos que existe una naturaleza cuántica del tiempo, del espacio y de la gravitación, y la estamos buscando. Se llama gravitación cuántica. Ese es el gran problema a resolver durante este siglo. Animo a los jóvenes presentes en esta sala que quieran estudiar física a hacerlo con un gran foco, para pasar a la historia de la humanidad resolviendo este problema.
Cortesía de Muy Interesante
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