Archive for 15 febrero 2011

Conferencia en la U.A.M. : Gerard t’Hooft- Black Hole Complementarity and the Hierarchy Problem

febrero 15, 2011

En el marco de los coloquios “Paco Yndurain” que organiza regularmente la universidad autónoma de Madrid mañana tendrá lugar un conferencia del premio nobel de física, en el año 1999, Gerard t’Hooft titulada “Complementariedad agujeros negros y el problema de la jerarquía”. LA charla será a las 3 de la tarde en la Sala de Conferencias, Modulo 00 (C-0), Facultad de Ciencias.

Para quienes no le conozcan indica que t’Hooft obtuvo su premio nobel por la demostración de que las teorías cuánticas de campo gauge con simetría rota son renormalizables. Este tipo de teorías son la base del modelo standard de partículas actuales así que su trabajo vino a dar forma definitiva a lo que es el mejor modelo de física de partículas elementales, testado experimentalmente, del que disponemos en este momento. En el momento en que hizo el trabajo por el que recibió el nobel, allá por los primeros 70, había dudas -al menos entre un buen número de gente- de que las teorías gauge, aunque elegantes y bonitas, pudieran representar al mundo real. El problema es que esas teorías no permitían incrporar bosones vectoriales (las partículas que median las interacciones) masivos y era bien sabido que estos eran necesarios para explicar las fuerzas nucleares débiles. Por la misma época Higgs (y otros) habían introducido el mecanismo de ruptura de simetría y Weinberg, Salany Glassgow lo habían aplicado para obtener un modelo de las fuerzas nucleares débiles que se unificaba con el electromagnetismo, la teoría electrodébil con grupo gauge SU(2)xU(1). Pero aún faltaba demostrar que esas teorías eran consistentes matemáticamente y realmente predictivas, osea, renormalizables. Y esa fué la labor de Gerard t’Hooft. Cuenta la leyenda que recién licenciado t’hooft fué a visitar a un profesor suyo, Veltman, para pedirle un trabajo para su tesis doctoral. Veltman le comentó el problema que había con las teorías gauge, pero no le recomendó que se dedicara a ello ya que estaba considerado uno de los problemas más difíciles del momento, sino el que m´s. Según esa misma leyenda t’Hooft no volvió a ver a Veltman hasta dos años después cuando se presento en su despacho para informarle de que había resuelto el problema Sea como sea el resultado era correcto y ese artículo cambió el rumbo de la física teórica de ese momento, que estaba decantándose hacia la teoría formal de la matriz S y dejando un poco de lados las teorías cuánticas de campos, y en particular las teorías gauge.

Posteriormente t’ Hooft y Veltman aplicaron las técnicas que habían desarrollado a la teoría de gravedad cuántica perturbativa, y demostraron que pese a que la gravedad libre (sin materia) es renormalizable a primer orden de perturbaciones (lo que se conoce normalmente como “a un loop”) el resultado no podía extenderse a órdenes superiores y que, por consiguiente, la relatividad cuántica perturbativa basada en partículas puntuales no era consistente según los esquemas ordinarios de la teoría cuántica de campos.

Esos trabajos, y otros posteriores en su trayectoria, han convertido a Gerard t’hooft en uno de los mejores físicos de las últimas décadas. Crear un escalafón de los mejores siempre es algo que tiene un margen de subjetividad, pero en mi criterio los dos mejores físicos actuales serían Ed Witten el “cappo” de la teoría de cuerdas, medalla fields de matemáticas y el propio t’Hooft. Casi a la misma altura pondría al anteriormente mencionado Steven Weinberg y ya después irían algunos físicos de cuerdas como Cunrrum Vafa o Joseph Polchinsky, seguidos de cerca por el famoso Stephen Hawkings.

Preferencias particulares aparte t’Hooft es uno de los grandes del momento, y de hecho uno de los grandes del siglo XX, a la altura de gente cómo Paul Dirac, Pauli, Schröedinger, Heissenberg, Feynman y el resto de los que dieron forma a la teoría cuántica y su generalización, la teoría cuántica de campos. Sin duda una conferencia suya es todo un acontecimiento en si mismo, independientemente del tema que trate, pero para los interesados en asistir voy a dar unas explicaciones previas para que se hagan una idea de por dónde podría ir su conferencia.

Por el título sabemos que trata dos tópicos, y es de suponer que debe haber algún nexo entre ellos, que posiblemente sea un tema en el que él este trabajando ahora.

El primer tópico es el principio de complementariedad en agujeros negros. Este principio creo que es debido al físico de cuerdas Leonnard Suskind, o al menos Susskind es uno de sus máximos defensores. Dicho de una manera sencilla viene a decir que es imposible distinguir el interior de un agujero negro de su exterior mediante cualquier medida local. De todos modos supongo que t’Hooft hablará de un asunto en particular, relacionado con un artículo suyo de Septiembre de 2009: Quantum gravity without space-time singularities or horizons. Ese artículo fué discutido en su momento en el blog de arxiv: Black Holes Cannot Exist in Latest Theory of Quantum Gravity. y para los que no hablen inglés pueden leer una traducción de esa entrada del blog en: Última propuesta teórica: Los agujeros negros no existen.

Bien, esa es posiblemente una parte del tema de la charla. La otra es el problema de la jerarquía. Este problema consiste en lo siguiente. Había mencionado que en las teorías gauge los bosones vectoriales no podían tener masa a menos que hubiera un mecanismo de ruptura de simetría, ocasionado por el famoso bosón de Higgs. Este era el encargado de dar masa a estos bosones. Un primer problema es que la teoría no dicta la masa del bosón de Higgs, ni tampoco los detalles de la masa que este da a las partículas tras romper la siemetría. Estos detalles dependen de una serie de parámetros (por ejemplo el ángulo de Weinberg). Ese es el motivo de que aunque hemos observados los bosones vectoriales asociados a la simetría electrodébil, el W+, el W- y el Z0 no sabemos exactamente que masa debe tener el Higgs, lo cuál dificulta su actual búsqueda en el LHC.

Pero no terminan ahí los problemas. Independientemente de la masa que adquiera el Higgs tras la rotura de la simetría, calculada a primer orden de teoria de perturbacioines, resulta que cuando se hacen cálculos a órdenes superiores se encuentra que la masa del Higgs debería aumentar por efectos cuánticos en la interacción del Higgs consigo mismo. Y esto debería hacer que rápidamente llegara a tener una masa enorme, del orden de la masa de Planck. Y junto con el Higgs deberían ir el resto de las partículas. Realmente en el modelo standard hay un rango de valores de los parámetros en lo que esto no sucede así. Lo malo es que esos valores son “antinaturales” (en un sentido que no entraré aquí a explicar). Y ese es precisamente el problema de la jerarquía. Salvo ese ajuste fino de parámetros sería de esperar que laspartículas del modelo standar tuvieran una masa semejante a la masa de Planck, y no una masa tan “pequeña” como la masa típica de la unificación electrodébil.

Por supuesto ese problema ha sido tratado. Una de las soluciones al mismo, la mas sencilla, y la que todo el mundo considera la mas probable, es la supersimetría. En las teorías supersimétricas a cada partícula del modelo standard se le asigna un compañero supersimétrico, con las mismas propiedades (núeros cuánticos) pero con distinto spin. a los bosones se le asignan fermiones, y viceversa. Por supuesto la naturaleza n es supersimétrica en su fase actual ya que no se han observado los compañeros supersimétricos de ls partículas actuales. Eso significa que debe estar rota. Lo interesante, de cara al tema de la jerarquía, es que si la energía a la que se rompe la supersimetría es similar a la energía de la rotura de la simetría electrodébil entonces, debido a sus muy agradables propiedades como teoría cuántica, la supersimetría estabilizaría el valor del Higgs, impidiéndole irse hasta la masa de Planck sin necesidad de tener que hacer ajustes “antinaturales” en las teorías. Eso sí, la supersimetria requiere, en su forma mas sencilla, que en vez de haber un Higgs haya cinco Higgs (incluyendo sus compañeros supersimétricos). no entraré en detalles de esto, que no merecen la pena para el propósito presente. Sólo decir que muy recientemente se ha creado otro modelo supersimétrico que no requiere la necesidad de 5 bosones Higgs, aunque es un modelo del que aún no se han investigado todos los factores típicos dignos de ser investigados.

Una consecuencia importante de la supersimetría, que tal vez sea mencionada por t’hooft, es que nos proporcina partículas candidatas a ser el constituyente fundamental de la materia oscura, la cuál aún no ha sido observada. De hecho la materia oscura, la supersimetría y el bosón de Higgs son los tres temas candentes de la física teórica actual, objeto de todas las búsquedas, tanto en el LHC cómo en detectores especializados en búsqueda de materia oscura.

Con esto concluyo una presentación somera de los dos tópicos de los que está anunciado que hable t’Hooft. imagino que en su charla él mismo hará un repaso de estos tópicos (sin duda mucho mejor que el mío). Por supuesto la parte mas interesante debería venir después, cuando nos explique porque esos dos tópicos aparecen unidos en la misma charla. Supongo que se debe a que habrá encontrado alguna relación entre ambos. De ser así suena muy prometedor, al menos como “plan de emergencia” si el LHC no encuentra partículas supersimétricas. Digamos que no andamos sobrados de medios de solventar el problema de la jerarquía. Aparte de la supersimetría están los modelos de “mundos brana”, o modelos de Randall-Sundrum, con dimensiones extra de un cierto tamaño que estabilizarían la masa del Higgs mediante el mecanismo de Kaluza Klein. Estos modelos, al igual que la supersimetría, son objeto actual de estudio en el LHC y un resultado negativo en su búsqueda, nos dejaría sin soluciones decentes al tema. Digo “decentes” porque el grupo de teóricos de cuerdas que defienden el principio antrópico dentro del “landscape” de vacíos de la teoría de cuerdas siempre podrán decir que si bien es “antinatural” ese conjunto particlar de valores resulta que, por otro lado, esos valores permiten la existencia de vida, y la existencia de vida inteligente que se plantee esas cuestiones. En los otros tropecientos mil universos (mucho mas probables) dónde hay valores “naturales” de la masa del Higgs no habría vida y no habría gente preguntándose esas cuestiones. Ciertamente si por lo que fuera no se hallasen la supersimetría o los braneworlds en el LHC y sí se hallase el Higgs una alternativa sensata al modelo antrópico tendría buena acogida y aparentemente eso podría ser de lo que nos va a hablar Gerard t’Hooft en la conferencia. Osea, que suena muy, muy interesante y justifica la asistencia a la conferencia (si es que la mera presencia de uno de los mejores físicos del momento no es justificación suficiente).

Para finalizar un apunte curioso. Uno podría esperar que ante un evento tan importante el salón de conferencias este lleno hasta arriba y que la plana mayor de físicos teóricos españoles asistan, para preguntarle a t’hooft sobre posibles fallas en el modelo que nos vaya a exponer. Curiosamente hoy ha comenzado en valencia el congreso “Iberian Strings” en el que estará un buen número de los físicos de cuerdas españoles, con lo cuál se perderán la conferencia de mañana. Ciertamente me parece una mala elección de fechas el hacer coincidir ambos eventos. Sea como sea yo espero asistir a la conferencia de t’hooft, habiéndome leído el artículo sobre agujeros negros que enlacé antes (confieso que en su momento se me pasó leerlo) y comentaré por aquí lo que haya sacado en claro de la misma.

Y nada, todo al que le venga bien la fecha y lugar, que no lo dude, debe intentar asistir, pocas ocasiones (o tal vez nínguna) tendrá de asistir en España a una conferencia con tan potencialmente interesante hecha por un ponente de tanta talla intelectual. Si, siendo de físicas y pudiendo asistir alguien se la pierde, sinceramente, no tiene excusa posible ;).

Update: En vez de hacer un resumén de la conferencia remito a la discusión sobre la misma que se ha producido en el blog de Migui, a raiz de copiar y pegar esta entrada en el foro: Conferencia de t’hoof en la UAM.

Por mi parte comentar que ya leí el artículo sobre agujeros negros y el pricipio de complementariedad que enlacé en el texto (si tengo tiempo haré un post sobre el tema dónde entre en mas detalles de los que dí aquí). Lo primero decir que el principio de complementariedad es una idea del propio t’hooft y no de Susskind (si bien Susskind hizo algunas aportaciones a la idea). Lo segundo dejar claro que no he hecho en absoluto una lista exaustiva de las aportaciones de t’Hoof a la física, sólo las mas pertinente a la charla. Por poner sólo otro ejemplo otra contribución famosa de t’hoof es el principio holográfico para agujeros negros, que se ha materializado, en cierto modo, en la correspondencia de Maldacena en teoría de cuerdas.

Lo tercero, ya que acabo de mencionar a Maldacena hago notar que recientemente han creado un “Einstein test” para intentar buscar mediante algoritmos los mejore físicos del momento. En ese test Maldacena ha salido elegido como el ganador. Ciertamente Maldacena es muy famoso, el artículo dónde establece su correspondencia es el mas citado de todos los tiempos y la correspondencia sin duda es importante. Sin embargo a mi, particularmente, no me parece ni mucho menos un resultado tan fascinante. Y aunque Maldacena ha seguido publicnado cosas interesantes a mi me parece que hay físicos de cuerdas haciendo cosas mas intersantes que él, por eso no lo he citado entre los grandes. Lo digo porque imaginio que alguien le habrá podido echar de menos en mi pequeño ranking de grandes de la física teórica actual.

¿Existe un déficit de investigadores? (en especial cualificados)

febrero 11, 2011

Desde hace mucho me ha parecido que así era. Pero ahora estoy casi convencido.

Si leemos el blog de Lubos nos encontramos con que hace un montón de propuestas sobre temas que podrían ser investigados, y nadie las recoge. Y no estoy hablando de temas terriblemente complejos que requieran una matemática complicadísima y los conceptos mas abstractos de teoría de cuerdas.

Por señalar dos ejemplos concretos tenemos el caso de la “isla supersimétrica índia“, es decir, un escenario de supersimetría en el que, a diferencia del MSSM y el resto de modelos supersimétricos no es necesario tener cinco bosones de Higgs para romper la simetría electrodébil. En el paper dónde se presenta la teoría se explica el modelo base, pero faltan por hacer un montón de cálculos relativamente sencillos sobre diversos aspectos elementales del mismo. Cualquier artículo que haga esos cálculos podría publicarse sin el más mínimo problema en arxiv (sería un artículo totalmente mainstream) y, además, sería cuanto menos moderadamente internaste, no un simple artículo para rellenar curriculum.

En su post sobre la constante cosmológica: The enigmatic cosmological constant comenta que no hay cálculos precisos sobre la energía del vacío en supersimetría sino sólo estimaciones (algo que yo mismo había notado y dejado referencia de ello en alguna entrada de mi otro blog, por ejemplo en: Where to hide a vacuum?.

Tal vez a alguna gente le pueda parecer que la supersimetría es un tema muy avanzado, pero realmente no es así. Cualquier físico de cuerdas conoce supersimetría a nivel elemental, pues está en la base misma de la teoría de supercuerdas. Cierto que es habitual que la gente de cuerdas no adore la fenomenología y se abstenga de profundizar en los detalles de los modelos concretos. Yo el mejor libro de referencia que conozco sobre esos temas es sparticles de Manuel Dress et all Sparticles aunque desde luego hay muchos más.

Fuer de la física de partículas también conozco muchos casos de cosas interesantes que podrían hacerse y no se hacen. Un amigo mío, del que ya hablé algunas veces, hizo una tesis sobre electromagnetismo topológico. La técnica matemática puede usarse para otros capos vectoriales distintos del electromagnético. Esos campos vectoriales sencillos parecen en multitud de sitios, por ejemplo en potenciales de membranas celulares, en campos de velocidad de fluidos, etc. etc. En esos temas de investigación hay bastantes fenómenos para el que no se encuentran explicaciones usando técnicas mas convencionales de investigación (ccaos, cálculo numérico, etc) y que tiene toda la pinta de ser causados por fenómenos topológicos El problema está en que siendo temas de investigación “aplicada” hay mas tendencia a que los que se dedican a esos temas no conozcan nada de topológia y que los papers dónde se usen técnicas toplógicas pasen mas desapercibidos de lo que debieran porque la mayoría de los lectores de ese campo simplemente no los entienden. Y, claro, tampoco se avanza todo lo que se podría. Y que conste que la topología requerida no es nada del otro mundo. La lectura de, por ejemplo, el libro “introduction to topology and geometry for physicst” de Charles Nash daría la base necesaria para ponerse a trabajar en ese tema (ni siquiera serían necesarios leerse los capítulos sobre fibrados principales, que, posiblemente, sean los más duros para mucha gente). Además, las técnicas especificas de topología que no vienen en ese libro están muy bien explicadas, desde prácticamente cero en la propia tesis doctoral de mi amigo, que está muy bien escrita y es muy didáctica.

Por supuesto ya si nos metemos a temas mas complejos de física de cuerdas la cantidad de trabajos algunos de una utilidad obvia, que podrían hacerse y se dejan de lado es muy alta. En los temas mas sofisticados que requieren mas matemática (normalmente en compactificaciones y en ente que trabaja de manera muy formal en supersimetría y agujeros negros) hay mucho campo par publicar cosas, tanto formales para hacer curriculum cómo temas muy cercanos a física del modelo standard que, tal vez, sólo tal vez, podría tener consecuencias observables.

Otro campo dónde sin duda hay mucho por hacer es cosmología/astrofísica. Por un lado actualmente hay un montón de satélites recopilando todo tipo de datos sobre gran variedad de temas. Hay que recopilar adecuadamente esos datos y publicarlos adecuadamente. Y luego hay que crear modelos para explicarlos. Todo eso es física “real”, en la que teoría y observaciones van de la mano, y no es demasiado cara. Además la utilidad va desde cosas bastante básicas, como crear modelos de dinámica solar que permitan anticipar posibles variaciones en la radiación solar y analizar adecuadamente el efecto de esta sobre el clima. Si, por ejemplo, fuese cierto que las observaciones de que el campo magnético de la tierra está acelerando su variación Magnetic Polar Shifts Causing Massive Global Superstorms aparte de lo que comentan en ese enlace de las tormentas atmosféricas (que posiblemente sea un poco estúpido) tendríamos un problema mas serio y real. Si el campo magnético se debilita demasiado (y no digamos si se desvanece por un tiempo) la tierra quedaría prácticamente desprotegida frente a las tormenta solares. Como quiera que el sol acaba de salir de un periodo de mínimo de manchas solares inusualmente largo, y que se cree que eso derivará en un aumento de las tormentas solares existe la posibilidad de que una de esas tormentas eyecte material hacia la tierra y nos coja con el campo magnético bajo. Si eso pasase cuando están funcionando los transformadores de las centrales eléctricas estos resultarían quemados. Y reponerlos requeriría varios meses. Durante esos meses no habría electricidad, y la sociedad moderna se vendría abajo al mes de estar sin electricidad. Sin embargo si la tormenta solar se predice a tiempo, o se observa a tiempo, se podrían tomar medidas para apagar el flujo eléctrico durante la tormenta y no se producirían demasiados daños. De hecho lo mismo se aplicaría a muchos satélites que podrían quedar inutilizados si están encendidos durante una tormenta solar.

En vista de eso está claro que es potencialmente muy importante, en la práctica, investigar en astrofísica. Aparte de que, sencillamente, con la cantidad de datos recopilándose hoy día en astrofísica y cosmologia el ratio de trabajo de investigación frente a resultados es increíblemente bueno.

En fin, me podría extender con muchos mas campos de los que conozco casos muy concretos de cosas útiles que pueden hacerse y se están dejando de hacer por falta de gente cualificada trabajando en ello. Y cuando digo “cualificada” no estoy refiriéndome a supergenios, ni mucho menos. La mayoría de temas están al alcance de gente que sea licenciada y este dispuesta a ponerse a trabajar en esos proyectos con algo de dedicación. Siendo un físico teórico estoy mas al tanto de temas de investigación mas puros, pero incluso así algunas de las cosas que conozco están muy cercanas a temas con un posible potencial de aplicación comercial.

Lo curioso es que quitando la universidad y otros organismos administrativos dónde los requisitos de admisión son ridículamente elevados para lo que ofrecen a nivel económico/laboral no hay demanda de investigadores en España. En cambio hay demanda (no mucha, por la crisis, pero aún así demanda) de informáticos en ramas de informática de gestión, diseño gráfico, creación de páginas web, aplicaciones bobas para móviles y etc, etc ,cuya utilidad última es bastante cuestionable.

Sinceramente, yo creo que la gente que tenga dinero para invertir debería plantearse muy seriamente volver a crear empresas de investigación, u ofrecer programas de becas, para aprovechar el capital humano de gente con una formación científica a la que no le interesa nada el mercado laboral (yo casi lo llamaría vertido laboral) actual y su paupérrima demanda de personal cualificado en áreas de ciencia.

También sería muy importante que se habilitasen mecanismos para poder hacer investigación pura sin necesidad de estar en una posición consolidada en la universidad. Se podrían ofrecer contratos de investigación temporales, para proyectos concretos, sin compromisos de permanencia posterior. Al fin y al cabo hay mucho licenciado o incluso doctorado en físicas o matemáticas que está fuera de la investigación y que trabajan en la empresa como informáticos. Esa gente podrían perfectamente despedirse de la empresa para entrar a un proyecto de investigación durante un tiempo y luego, una vez concluido el proyecto, reincorporarse a la informática dónde, a buen seguro no es costará nada reubicarse.

En definitiva, que debe invertirse más en ciencia por parte de la empresa privada y flexibilizar mas el acceso a equipos de investigación por parte de los organismos oficiales o sino la cantidad de temas en los que podría avanzarse mucho y se está produciendo un estancamiento irán en aumento.

Actualización: Siempre he sido de la opinión de que el capitalismo es un sistema económico ideado por intelectuales de la talla de los teletubbies y cuyo aparente éxito no ha sido más que una serie de casualidades históricas circunstanciales difícilmente repetibles. Ahora el país santo y seña del capitalismo al enfrentarse a una crisis de su sinsentido económico ha decidido suicidarse por la vía rápida. Me estoy refiriendo al recorte extra en su presupuesto científico que acaban de anunciar. Podéis leerlo comentado en este enlace: Bloodbath for Science.

Bien, ese es el motivo por el que nunca me he preocupado terriblemente de obtener una posición académica. Está claro que los políticos no tiene ni la mas remota idea de lo que significa la ciencia para la economía de sus países y no les dan a los que están interesados en dedicarse a la ciencia un tratamiento mínimamente digno. Siempre he sido de la opinión de que si uno puede meterse en el mundillo académico, pues estupendo. Pero vista la inestabilidad del sector gracias la la tontunería de los políticos la única manera de hacer ciencia es buscarse una situación económica estable por otros medios que deje bastante tiempo para dedicarse a la ciencia y no estar dependiendo en los vaivenes administrativos.

En fin, definitivamente los estados unidos han dejado de ser la primera potencia económica, y ya son como la URS, una potencia militar con mucho armamento nuclear cómo único argumento real de poder político. Países como Alemania, Canadá o Corea, con una cuidada inversión en ciencia y tecnología, pasan a ser ahora los candidatos a primeras potencias