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Top 10 misterios sin resolver en la física
Si alguna vez has visto un episodio de Star Trek o La teoría del Big Bang, entonces sabes que la física puede hacerse accesible a las masas de una manera divertida. Es posible que nuestros escritores de ciencia ficción y comedia favoritos no tengan todos los detalles correctos, pero sí despiertan nuestro interés en los aspectos más extraños de las teorías científicas.
Hoy vamos a hablar de 10 misterios reales que la física aún tiene que explicar. Desde la comunicación extraterrestre hasta los viajes en el tiempo hasta los grifos, trataremos de hacer que estos misterios sean comprensibles para todos.
Es posible que incluso desee explorar estos temas más por su cuenta. Después de todo, hay premios de millones de dólares que esperan a las personas que resuelven algunos rompecabezas cósmicos. (Sigue leyendo para descubrir cuál de estos 10 misterios podría hacerte rico). Probablemente, también obtendrás un Premio Nobel y cambiarás el mundo.
10 ¿De dónde vienen los rayos cósmicos de ultra alta energía?
Nuestra atmósfera está siendo golpeada constantemente por partículas del espacio exterior con altas energías. Estos se llaman "rayos cósmicos". Aunque no representan mucho daño para los humanos, han fascinado a los físicos. La observación de los rayos cósmicos nos ha enseñado mucho sobre la astrofísica y la física de partículas. Pero hay algunos, los que tienen más energía, que son misteriosos hasta hoy.
En 1962, en el experimento de Volcano Ranch, el Dr. John D. Linsley y Livio Scarsi vieron algo increíble: un rayo cósmico de ultra alta energía con una energía de más de 16 julios. Para darle algo de perspectiva, un joule es aproximadamente la energía que se necesita para levantar una manzana desde el suelo hasta una mesa.
Sin embargo, toda esa energía se concentra en una partícula cien millones de billones de billones 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 obtienen 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 material colapsado que se forman alrededor de los agujeros negros.
9 ¿Estuvo nuestro universo dominado por la inflación?
El universo es increíblemente plano en grandes escalas. Esto es algo que se llama el "principio cosmológico": la idea de que, donde quiera que vayas en el universo, hay aproximadamente la misma cantidad de cosas en promedio.
Pero la teoría del big bang sugiere que, en los primeros tiempos, debe haber algunas grandes diferencias en la densidad en el universo primitivo. Así que era mucho más abultado de lo que nuestro universo es hoy.
La teoría de la inflación sugiere que el universo que vemos hoy proviene de un pequeño volumen del universo primitivo. Este pequeño volumen se expandió repentina y rápidamente, mucho más rápido de lo que el universo se está expandiendo hoy.
Al igual que si dibujó un globo y luego lo llenó con aire, la inflación "estiró" todos los bultos en el universo temprano y explica por qué tenemos un universo bastante plano, donde las condiciones son similares donde quiera que vaya hoy.
Aunque esto explica mucho sobre lo que vemos, los físicos aún no saben qué 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 tal como es hoy.
8 ¿Podemos encontrar la energía oscura y la materia oscura?
Es un hecho sorprendente: solo alrededor del 5 por ciento del universo consiste en la materia que podemos ver. Los físicos notaron hace algunas décadas que las estrellas en los bordes exteriores de las galaxias orbitaban alrededor del centro de esas galaxias más rápido de lo previsto.
Para explicar esto, los científicos sugirieron que podría haber algo de materia “oscura” invisible en esas galaxias que causó que las estrellas giraran más rápidamente. Después de esto, las observaciones del universo en expansión llevaron a los físicos a concluir que debe haber mucha más materia oscura allá afuera, cinco veces más que la materia que podemos ver.
Junto a esto, sabemos que la expansión del universo en realidad se está acelerando. Esto es extraño porque esperaríamos la atracción gravitacional de la materia, tanto "clara" como "oscura", para frenar 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 equilibre la atracción gravitatoria de la materia.
La "energía oscura" es la solución. La mayor parte de la energía en el universo no se puede encerrar 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 forman 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 la forma en que se hacen las observaciones.
Pero los físicos tienen la esperanza de que se puedan producir partículas de materia oscura en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), donde podrían estudiarse. Podría resultar que las partículas de materia oscura sean más pesadas que cualquier cosa que el LHC pueda producir, en cuyo caso podría seguir siendo un misterio durante mucho más tiempo.
La energía oscura es compatible con muchas observaciones diferentes del universo, pero aún es profundamente misteriosa. En un sentido muy real, puede ser que "al espacio solo le guste expandirse" y solo podamos verlo expandirse cuando observamos escalas muy grandes.
O quizás las explicaciones de materia oscura y energía oscura son incorrectas, y se necesita una teoría completamente nueva. Pero tendría que explicar todo lo que vemos mejor que la teoría actual antes de que los físicos lo 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 gravitatorios tan fuertes que incluso la luz no 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, incluido uno enorme y supermasivo en el corazón de nuestra propia galaxia. (No se preocupe. No se tragará el Sol en el corto plazo).
Pero el misterio de lo que ocurre en el corazón de un agujero negro todavía está sin resolver. Algunos físicos pensaron que podría haber una "singularidad": un punto de densidad infinita con una masa concentrada en un espacio infinitamente pequeño. Es difícil de imaginar. Peor aún, cualquier singularidad conduce a un agujero negro en esta teoría, por lo que no hay manera de que podamos observar directamente una singularidad.
Todavía hay debate sobre si la información se pierde dentro de los agujeros negros. Absorben partículas y radiación y emiten radiación de Hawking, pero la radiación de Hawking no parece contener más información sobre lo que está ocurriendo dentro del agujero negro. Parece que se ha perdido cierta información sobre las partículas que caen más allá del horizonte de eventos en el agujero negro.
El hecho de que parece imposible, al menos en este momento, comprender lo que está en el corazón de los agujeros negros ha hecho que los autores de ciencia ficción especulen durante décadas sobre si podrían contener diferentes universos o si podrían usarse para teletransportarse o viajar en el tiempo.
Dado que ser absorbido por un agujero negro implica ser estirado en una cadena de átomos ("espaguetificación"), no nos estamos ofreciendo como voluntarios para aventurarnos adentro y descubrirlo.
6 ¿Hay vida inteligente ahí fuera?
Las personas han estado soñando con extraterrestres desde que miraron el cielo nocturno y se preguntaron qué podría haber ahí fuera. Pero en las últimas décadas, hemos descubierto muchas pruebas tentadoras.
Para empezar, los planetas son mucho más comunes de lo que la gente pensó originalmente, ya que la mayoría de las estrellas tienen un sistema planetario. También sabemos que la diferencia de tiempo entre nuestro planeta y la vida que emergía en él era bastante pequeña. ¿Esto sugiere que la vida es probable que se forme? Si es así, tenemos la famosa "paradoja de Fermi": ¿Por qué no nos hemos comunicado con extraterrestres todavía?
Hay muchas soluciones para la paradoja de Fermi, que van desde lo salvaje hasta lo más triste y mundano. Realmente muestra la dificultad de llegar a buenas conclusiones científicas cuando solo tiene un punto de datos: nosotros.
Sabemos que la vida inteligente evolucionó en este planeta (bueno, tal vez es discutible), lo que significa que puede suceder. Pero no podemos saber si tenemos una suerte increíble. O quizás hay algo especial en nuestro planeta que lo hace extremadamente raro pero adecuado para alojar la vida. O tal vez la probabilidad de que la vida comience es extremadamente baja, por lo que hay pocas civilizaciones alienígenas, si es que hay alguna, por ahí.
El astrónomo Frank Drake armó su "ecuación de Drake" como una forma de ver todos los diferentes aspectos de este problema. Cada uno de los términos representa una razón por la cual podemos no estar comunicándonos con la vida inteligente.
Quizás la vida es común, pero la vida inteligente es rara. Tal vez, después de un tiempo, todas las civilizaciones decidan no comunicarse con otras formas de vida. Están ahí fuera, pero no quieren hablar con nosotros.
O, de forma escalofriante, tal vez esto muestre que muchas civilizaciones alienígenas se destruyen a sí mismas poco después de convertirse en lo suficientemente avanzadas 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, ya sea por un Dios o como parte de una simulación por computadora. Esto explicaría por qué sólo estamos nosotros. Los jugadores cósmicos están jugando en modo de un solo jugador.
La realidad es que no hemos estado buscando todo ese tiempo, y el espacio es inimaginablemente vasto. Las señales pueden perderse fácilmente, y una civilización alienígena tendría que enviar una poderosa señal de radio para que la captemos. Pero es emocionante pensar que el descubrimiento de una civilización extraterrestre podría suceder mañana y cambiar nuestra comprensión del universo para siempre.
5 ¿Puede algo 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 que viaje incluso a la velocidad de la luz, se requiere energía infinita.
Vemos esto en los rayos cósmicos de ultra alta energía mencionados anteriormente. Tienen energías extraordinarias en relación con su tamaño, pero aún no viajan tan rápido. La velocidad de la luz como un límite difícil también podría explicar por qué las comunicaciones de civilizaciones alienígenas son poco probables. Si también están limitados por esto, las señales pueden tardar miles de años en llegar.
Pero las personas se preguntan continuamente si puede haber algunas formas en torno al límite de velocidad del universo. En 2011, el experimento OPERA tuvo algunos resultados preliminares que sugerían que los neutrinos viajaban más rápido que la velocidad de la luz. Pero los investigadores luego notaron algunos errores adicionales en su configuración experimental que confirmaron que los resultados eran incorrectos.
Si existiera alguna forma de comunicar materia o información más rápido que la velocidad de la luz, indudablemente cambiaría el mundo. Los viajes más rápidos que la luz violan algo que se llama 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 que una persona reciba información sobre un evento antes de que haya "ocurrido" (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. Así que parece probable que no exista. Pero si logras desarrollarlo, por favor, cuéntanoslo ayer.
4 ¿Podemos encontrar una manera de describir la turbulencia?
Al regresar a la Tierra, todavía hay muchas cosas que ocurren en nuestra vida cotidiana que son difíciles de entender. Intenta jugar con los grifos de tu casa.
Si deja que el agua fluya con suavidad, está viendo la física resuelta: un tipo de flujo que entendemos bien, que se llama “flujo laminar”. Pero si sube el agua a la presión máxima y la observa chisporrotear y escupir, entonces Mirando un ejemplo de turbulencia. En muchos sentidos, la turbulencia sigue siendo un problema sin resolver en la física.
La ecuación de Navier-Stokes determina cómo deben fluir los fluidos como el agua y el aire. Esta ecuación es un poco como un balance de fuerza. Imaginamos que el fluido se descompone en pequeñas parcelas de masa. Luego, la ecuación toma en cuenta todas las diversas fuerzas que actúan sobre esta parcela (gravedad, fricción, presión) y trata de 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 indique la velocidad (velocidad y dirección) del fluido en cualquier punto del flujo.
Pero para flujos complicados y turbulentos, estas soluciones comienzan a descomponerse. Todavía podemos hacer mucha ciencia con flujos turbulentos resolviendo las ecuaciones numéricamente con computadoras grandes. Esto nos da una respuesta aproximada sin una fórmula que explique completamente cómo se comporta el fluido.
Pronosticamos el tiempo de esta manera. Pero hasta que encontremos esas soluciones difíciles de alcanzar, nuestro conocimiento estará incompleto. Por cierto, este es uno de los problemas de premios del Instituto Clay sin resolver. Así que si lo manejas, hay un millón de dólares para ti.
3 ¿Podemos construir un superconductor a temperatura ambiente?
Los superconductores podrían ser algunos de los dispositivos y tecnologías más importantes que los humanos hayan descubierto. Son tipos especiales de material. Cuando la temperatura desciende lo suficiente, la resistencia eléctrica del material cae a cero.
Esto significa que puede obtener enormes corrientes para una pequeña aplicación de voltaje a través del superconductor. Si establece la corriente eléctrica que fluye en un cable superconductor, puede continuar fluyendo durante miles de millones de años sin disiparse porque no hay resistencia a su flujo.
Se pierde una gran cantidad de energía en nuestros cables de alimentación actuales. No son superconductores y tienen resistencia eléctrica, lo que hace que se calienten cuando pasas una corriente a través de ellos. Los superconductores podrían reducir estas pérdidas a cero.
Pero las posibilidades de los superconductores son incluso más emocionantes que esto. El campo magnético producido por un cable tiene una fuerza que depende de la corriente que fluye a través de ese cable. Si puede obtener corrientes muy altas en un superconductor a bajo costo, puede obtener campos magnéticos realmente poderosos.
Estos campos se están utilizando actualmente en el Gran Colisionador de Hadrones para desviar las partículas cargadas de movimiento rápido alrededor de su anillo. También se utilizan en reactores de fusión nuclear experimentales, que podrían proporcionar nuestra electricidad en el futuro.
El problema es que todos los superconductores conocidos deben estar a estas temperaturas muy bajas para funcionar. Incluso nuestros superconductores de temperatura más alta deben estar a -140 grados Celsius (-220 ° F) antes de comenzar a exhibir esta maravillosa propiedad.
Enfriarlos a estas bajas temperaturas generalmente requiere nitrógeno líquido o algo similar. Por lo tanto, es muy caro de hacer. Muchos físicos y científicos de materiales de todo el mundo están trabajando para desarrollar el 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?
En cierto modo, todavía no sabemos por qué existe algo. Una declaración audaz pero cierto! 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 alguna vez toca su antipartícula, se aniquila y se convierte en radiación. Como probablemente no quieras que te aniquilen, es bueno que la antimateria sea increíblemente rara. A veces, cae en 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. Entonces, si el universo comenzó dominado por la energía, ¿por qué no produjo cantidades iguales de materia y antimateria?
Podemos imaginar un universo donde la energía se convierta en pares de materia y antimateria. Luego se aniquilarían mutuamente y se volverían 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 de CP".
Si ocurren, estas interacciones podrían mostrar que las leyes de la física son diferentes para la materia y las partículas de antimateria.Entonces podemos imaginar que quizás hay procesos que son ligeramente más propensos a producir materia que la antimateria y es por eso que vemos un universo asimétrico dominado por la materia.
Las teorías más viles sugieren que podría haber regiones enteras del universo dominadas por la antimateria. Curiosamente, podría ser más difícil cuestionar 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 pudieron distinguir entre una galaxia antimateria y una galaxia de materia.
Pero estas teorías tienen que explicar cómo se separaron la materia y la antimateria y por qué no vemos evidencia de que se produzca mucha radiación cuando la materia y la antimateria chocan y se aniquilan.
A menos que descubramos evidencia de galaxias de antimateria, la violación de CP en el universo temprano parece ser 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. Una de ellas fue la mecánica cuántica, que detallaba cómo las pequeñas 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 en la naturaleza: el electromagnetismo y las fuerzas nucleares fuertes y débiles. Sus predicciones son asombrosamente precisas, aunque la gente todavía discute sobre las implicaciones filosóficas de la teoría.
La otra gran teoría fue la relatividad general de Einstein, que explica la gravedad. En la relatividad general, la gravedad se produce cuando la presencia de la masa dobla el espacio y el tiempo, lo que hace que las partículas sigan caminos que se curvan debido a que el espacio-tiempo se deforma. Puede explicar las cosas que ocurren en la más grande de las escalas: la formación de galaxias y la danza de las estrellas.
Solo 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.
Desde que se realizó esto, 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 solo funcionan dentro de ciertos límites. Por ejemplo, las leyes de movimiento de Newton son lo que se obtiene cuando se toma un límite de baja velocidad de relatividad especial. Además, la electricidad y el magnetismo solían considerarse teorías completamente diferentes hasta que Maxwell las unificó en electromagnetismo.
Los físicos esperan poder "alejarse" y ver que la mecánica cuántica y la relatividad general son 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, una que pueda explicar todo, continúa. Quizás nunca lo encontremos. Pero si la física nos ha enseñado algo, es que el universo es realmente extraordinario y siempre hay cosas nuevas que descubrir.