El camino de la teoría al descubrimiento experimental

Actualmente, en especial debido a la teoría de cuerdas, se acusa a la física actual de ser excesivamente teórica. Pero no se restringe esa crítica a las cuerdas. Agujeros de gusano, multiversos, e incluso materia oscura y energía oscura están igualmente mal vistas.

Cito literalmente un ejemplo de esas críticas: Muy bonitas teorías, sujetas de un entramado matemático complejo y elegante, pero nadie ha visto un agujero de gusano y quizás jamás los vean..Ese es mi punto: teoría si práctica es pura especulación

Si miramos un poco la historia de como se han hecho los grandes avances en el siglo XX veremos que esa critica no se sostiene demasiado. Usaré ejemplos muy conocidos, que involucran a algunos de los físicos mas grandes del siglo XX, para ilustrar a que me refiero.

Empiezo por la teoría de Dirac del electrón. Se necesitaba una ecuación cuántica, análoga a la ecuación de Schröedinger, compatible con la relatividad y que describiera partículas de spin 1/2. En 1928 Dirac da con esa ecuación. Una consecuencia de la misma es que deben existir antipartículas del electrón. Esas antipartículas serían iguales al electrón en todo, excepto en la carga, que tendría el signo opuesto. Y tendrían una terrible tendencia a juntarse con un electrón para desaparecer ambas y dar lugar a un fotón gamma muy energético. Pues bien, una vez avisados de lo que debían buscar la gente que hacía experimentos con rayos cósmicos dieron con el positrón de marras ese 4 años después y Dirac se llevó el nobel al año siguiente. Posiblemente el positrón se hubiese descubierto igualmente tarde o temprano, pero seguramente hubiese tardado bastante mas en darse con él.

Otro trabajo teórico de Dirac, también muy conocido, es el de os monopolos magnéticos. Le llevó a estudiarlos su querencia a la matemática elegante. Le parecía que las ecuaciones de Maxwell carecían de simetría al no permitir monopolos magnéticos y estudió como modificarlas para que los permitiesen. El resultado no era del todo satisfactorio pues requería una “cuerda de dirac” (nada que ver con la actual teoría de cuerdas) y nunca se tomó muy en serio. En los finales de los 70 y principios de los 80 los monopolos resurgieron, en una forma ligeramente distinta, dentro de las teorías de unificación. Eran una consecuencia ineludible de las mismas y se los buscó experimentalmente, sin éxito (salvo un falso positivo que dió un golpe muy fuerte a la carrera del presunto “descubridor”). De todos modos la no detección de los mismos es un problema muy serio pues su presencia se considera ineludible y hay que explicarla. Una de las ventajas de la inflacción es que proporcionaría un mecanismo para diluir los monopolos formados en el universo primitivo y justificaría la ausencia de detección experimental.

En definitiva, aunque los monopolos están sólo en las ecuaciones hay que tenerlos en cuenta en escenarios cosmológicos. Una teoría que no de cuenta de ese problema (de uno u otro modo) no se considera una teoría cosmológica válida. En algún mmento del futuro los aceleradores de partículas se supone que deberán producir monopolos (al menos si son ciertos los modelos convencionales de unificación de las fuerzas, que, aclaro, son independientes, de la teoría de cuerdas aunque no incompatibles con ella).

Otro aso señero es el neutrino. Su existencia fue postulada en 1930 por Pauli para explicar algunos aspectos de la desintegración nuclear. Refinamientos teóricos de la propuesta inicial indicaron que el neutrino debería tener masa nula o casi nula, spin 1/2 e interactuar solo por interacción nuclear débil. Con esas cualidades era prácticamente una partícula fantasma cuya única justificación era preservar la energía en cierto tipo de desintegraciones. Muy posiblemente mucha gente preferiría teorías alterativas que no implicasen un ente tan intangible.

El caso es que estando postulada su presencia, por alguien tan importante como Pauli (secundado por alguien igualmente importantísimo, Fermi) se trabajó en su búsqueda. EN 1956, 36 años mas tarde de ser postulado, el neutrino es encontrado en un laboratorio situado al lado de una central nuclear (el reactor de fisión es una fuente al por mayor de neutrinos). Es intersante hacer notar que en el momento de crearse la teoría tanto la bomba atómica como las centrales nucleares no existían y posiblemente ni se había concebido su existencia. De no haberse postulado su existencia es casi seguro que a día de hoy siguiera sin tenerse noticia del neutrino.

Esos 36 años de lapso entre el postulado teórico del neutrino y su descubrimiento no son una excepción. La relatividad general predice la existencia de las ondas gravitatorias. Su existencia surge de una linealización de las ecuaciones de Einstein y apareció en en los primeros tiempos de la relatividad general, allá por 1915.

Teóricamente su justificación es muy firme. Pero son elusivas de hallar en la práctica. La primera evidencia experimental de las mismas debió esperar a 1974 cuando Russell Alan Hulse y Joseph Hooton Taylor Jr. descubrieron el primer púlsar binario (PSR1913+16). Las observaciones durante varios años han confirmado que el período de rotación de ambos objetos aumenta con el tiempo de la manera predicha por la teoría de la relatividad general, perdiendo energía en forma de ondas gravitacionales. Aunque estas ondas no han sido detectadas de forma directa, Taylor y Hulse demostraron que la rotación del sistema binario se aceleraba a medida que las estrellas giraban en espiral cada vez más juntas, exactamente tal y como se predecía si estuviera emitiendo energía en forma de ondas gravitacionales. Los autores de ese estudio fueron recompensados con un nobel en 1993.

Aparte de esas evidencias experimentales indirectas se ha invertido mucho esfuerzo en una detección directa, hasta ahora sin éxito. Aparte de la utilidad teórica de demostrar un aspecto básico de la RG hay un interés práctico. Muchos fenómenos de un gran interés fundamental en astrofísica y cosmología como:

-La explosión de una supernova.
-La formación de un agujero negro.
-El choque de cuerpos masivos como estrellas de neutrones o la coalescencia de agujeros negros.
-La rotación de una estrella de neutrones inhomogénea.
-Radiación gravitacional remanente del Big Bang. Este último caso ofrecería datos únicos sobre la formación del Universo en el periodo anterior a la edad oscura del Universo en la que el Universo era opaco a la radiación electromagnética.
– las cuerdas cósmicas, objetos cuya existencia postulan diversas teorías pero de las que aún no hay evidencia.

serían fuentes de ondas gravitacionales. Si pudieran detectarse podría obtenerse información directa sobre estos fenómenos no accesible, en algunos de los casos, por otros medios. El estudio de estos objetos por ondas gravitatorios posiblemente revolucionaria el conocimiento actual del universo.

La RG tiene otros aspectos teóricos con un status prominente en su marco teórico que tampoco han sido verificados experimentalmente. Entre estos estaría el “frame dragging” 8arrastre del marco). La idea es que un cuerpo al girar arrastraría consigo el espacitiempo de su entorno. El caso mas espectacular de este efecto es la ergosfera de un agujero negro rotatorio, descrito por la métrica de Kerr. Esta ergosfera sería una zona situada en la vecindad del horizonte de sucesos en la que el arrastre del agujero negro sería tan fuerte que nada, ni siquiera la luz, podría permanecer estático (respecto a un observador alejado del agujero negro). La tierra el sol también ejercerían, de forma mucho mas débil, ese efecto. Y en teoría debería ser observable. Pero al igual que las ondas gravitatorias es un efecto muy débil y pese a los esfuerzos realizados (usando satélites equipados con giroscopios adecuados al efecto) aún no hay una constatación experimental firme (ni se la espera para los próximos años).

Como puede verse no es la excepción sino mas bien la regla que las teorías hagan predicciones difíciles de verificar con carácter inmediato. Lo importante es que si esas teorías tienen una base sólida es procedente invertir en tratar de verificar esas observaciones, incluso si se tarda bastante en obtener resultados. Normalmente las teorías no predicen un sólo resultado sino varios. Y para cada resultado hay varias formas de intentar dar con su confirmación experimental.

La clave es que esos resultados teóricos sirven de guía para que los experimentadores sepan que deben buscar y diseñen aparatos para dar con ello. Sin el trabajo teórico los experimentadores estarían ciegos y encontrarían muchísimas menos cosas. Cierto es que a veces hay sorpresas y se encuentran cosas inesperadas para las que luego hay que buscar explicación. ese es otro de los caminos por los que avanza la ciencia: Pero en general el avance surge primero de la teoría y la experimentación va detrás.

Visto este proceder habitual de la ciencia la investigación teórica en agujeros de gusano no es algo tan arcano como pueda parecer. En realidad sigue el camino normal de la ciencia.Se tiene un objeto bien descrito por teorías existentes con propiedades claramente delimitadas y en consecuencia medios para, en el futuro, intentar encontrarlos (si existen en la naturaleza9 o crearlos artificialmente.

Un ejemplo menos esotérico que los agujeros de gusano es la materia oscura, cuya existencia se postuló hace ya tiempo y para la que hay muy diversos modelos y experimentos en marcha para dar con ella. Ya hablé del tema en un reciente post sobre la materia oscura (y en el futuro añadiré mas información sobre el asunto).

Otros ejemplos insignes de predicciones teóricas, aún sin verificar, serían e bosón de Higgs. Esta famosa partícula, postulada en los 70, es una pieza totalmente esencial del modelo standard , y aún hoy está sin descubrir. Se espera que el LHC (y en menor medida el Tevatroon) puedan probar su existencia en el plazo de unos pocos años. Otro objetivo del LHC es encontrar partículas supersimétricas (si es que no se encuentran antes en los experimentos de búsqueda de materia oscura). La supersimetría (puede verse una introducción al tema en mi otro blog, concretamente aquí) es una de las bases teóricas de la mayoría de desarrollos conceptuales en física e´rica en los últimos 40 años y eso pese a no haber sido descubierta experimentalmente. Pero como se ha visto en los ejemplos anteriores sigue “en plazo” y no hay buenos motivos para dejarla de lado, mas bien al contrario.

En definitiva, creo que con estos ejemplos queda claro que normalmente la ciencia siempre avanza basándose en teorías que empiezan como constructos matemáticos que, sólo mas tarde son verificados. Por supuesto si en algún momento hay observaciones experimentales que contradigan esas teorías matemáticas estas quedan refutadas, pero eso es una obviedad que no empaña la validez del esquema de trabajo explicado aquí.

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4 comentarios to “El camino de la teoría al descubrimiento experimental”

  1. MiGUi Says:

    Me ha gustado mucho 🙂

  2. hellmann Says:

    Está muy bien el post para refrescar la historia de la física.

    Sin embargo en el tema de la teoría de cuerdas yo discrepo. No es comparable a la predicción del postirón o similar y sí que es en mi opinión demasiado teórica (y yo soy físico teórico). El problema es que la teoría de cuerdas no ha sido comprobada, pero por el momento ni siquiera puede serlo aunque aumente increíblemente nuestras capacidades. Básicamente la teoría de cuerdas no ha hecho hasta la fecha ninguna predicción falsable (y no me refiero a que sea falsable hoy, sino falsable algún día), por lo que en mi opinión no es una teoría científica válida.

  3. freelancescience Says:

    Migui: Bienvenido por este blog. Y gracias por el comntario y por el recadito en menéame ;).

    hellman: Aunque ciertamente la teoría mas atacada es la de cuerdas el post hace referencia a la física teórica en general. Un ejemplo paradigmático, que inexplicablemente se me pasó poner, es el de la radiacción de Hakings. Su existencia esta calculada en casi cualquier teoríaimaginable de la gravedad cuántica, con lo cuál es na predicción sólida. Sin embargo no se tiene, por ahora, a mano ningún agujero negro par verificarlo Y hawking no es premio nobel.

    Sobre la teoría de cuerdas no estoy del todo de acuerdo. Hay diversos escenarios inspirado spor la teoría de cuerdas que sí tendrían consecuencias medibles en breve. El caso mas espectacular son los famossos agujeros negros en el LHC, cuya existencia requiere dimensiones extra mesoscópicas. Esas dimensiones son posibles sin que las cuerdas sean ciertas, pero desde luego serían un indicio excelente. Y no es que sólo los agujeros negros puedanconfirmar ese tipo de escenarios.

    Otro tipo de teoría muy desarrollado sonlas teorías GUT basadas en teoría F (teoria de supercuerdas II B en régimen no perturbativo. Esas teorías recrean el modelo standard con precisión y hacen predicciones sobre que el LSP (par´ticula supersimétrica mas ligera) es el gravitino (Con lo cuál todos los avisos de detección actuales de materia oscura deberían ser falsos positivos) y predicen que el NLSP sería el stau (o en según que región de parámetros el bino). Estas NLSP en ese escenario serían lo bastante estables como para dejar el detector del LHC y podrían ser identificados como energía perdida.

    No son predicciones tan directas como las de otras teorias, pues dependne de modelos ocnretos, pero si van en la dirección correcta.

  4. Yass Fuentes Says:

    Interesante artículo. Muy buena síntesis.

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