Juegos formales: Masas tensoriales I (planteamiento).

Debo decir que las cosas que se están haciendo últimamente en física teórica, a nivel mas innovativo, no me entusiasman terriblemente, así que por eso estoy esforzándome en reflejar lo que se está haciendo. Además, ya está el blog de Lubos y otra gente. Uno de los artículos más interesantes en bastante tiempo, que no puedo dejar de recomendar, es éste:
Vafa: supergroups, non-unitary cousins of CFT, and black hole puzzles en el que comenta este artículo de el famoso Cumrum Vafa (posiblemente el físico de cuerdas mas prestigioso después de Ed Witten, con permiso de Juan Maldacena) Non-Unitary Holography.

Hay alguna cosa más, que ya iré mencionando según vaya leyendo y analizando, pero hoy me voy a centrar en algo que estuve haciendo hace un tiempo, y que creo puede resultar entretenido, y que ayuda a replantearse cosas, pasar de una física en la que la masa es una constante a ser una magnitud tensorial.

Lo primero es indicar las motivaciones iniciales para considerar esa posiblidad. La primera idea la tuve a raíz de un polémico experimento de PODKLETNOV y su presunta máquina de antigravedad . La verdad es que el experimento y la polémica quedaron en nada, al menos hasta dónde sé. Pero la idea que me planteé es la siguiente. Sí uno piensa en que en una zona de la tierra hay una máquina de antigravedad eso significaría que el campo gravitatorio resultante perdería su simetría esférica. En el límite en que se hace que la masa que provoca el campo sea puntual tendríamos que en vez de un punto sin estructura en la que estuviera toda la masa tendríamos algo que tendría una distribución angular, bien en forma de vector, o de tensor de segundo orden (o alguna forma mas complicada como un desarrollo en serie de términos tensoriales de orden creciente, pero vamos, mejor empezar por las generalizaciones mas sencillas.

Bien, esa es la primera idea. La segunda sería ¿Y cómo sería el comportamiento inercial de esa masas vectoriales o tensoriales? Por supuesto sabemos que, al menos en promedio, la masa no tiene estructura. Ahora bien, pensemos en un electrón (o cualquier otra partícula subatómica). Imaginemos que moverlo en una dirección sea ligeramente mas difícil que moverlo en alguna otra, pero que la orientación de ese vector, o tensor masa, varíe de un electrón a otro. Así, en promedio, para una cantidad macroscópica de electrones, no habrá ninguna dirección privilegiada. Luego, si vamos a el caso del análisis de un electrón aislado, al ser cuántico y no seguir una trayectoria, pues ya no tiene mucho sentido el estudio clásico y habría que ir a el caso cuántico. La verdad es que imagino que habrá límites experimentales que, desde ya, se pueden hacer a la posible asimetría vectorial/tensorial de la masa de las subpartículas, aunque siempre se podría argumentar que sí son muy pequeños no serían observables si no se busca específicamente.

Una consecuencia práctica de este posible carácter vectorial/tensorial de la materia sería la siguiente. Sí se pudiera “polarizar” la materia de tal forma que todas las subpartículas, orientadas de manera aleatoria, alinearan sus masas en una dirección concreta tendríamos una situación interesante. La “masa total” (el módulo del vector, o sí es un tensor, alguna norma matricial adecuada) se mantendría, pero resultaría que mover un objeto en la dirección del menor valor de la masa sería mas sencillo que en las otras. Así, si realmente la materia tuviera esa naturaleza, y supiéramos cómo polarizarla, podríamos, dependiendo del grado de asimetría, hacer que mover un cuerpo en una dirección requiriese muy poca fuerza (y por consiguiente gasto energético) a costa de que fuese mas difícil de maniobrar, debido a la mayor masa en las otras direcciones. Sí, por ejemplo, la asimetria pudiera ser de un 30% eso significaría que ahorraríamos un 30% de gasto en transporte.

Ok, hasta ahí consideraciones muy mundanas. Vamos a ir a algo mas abstracto. En relatividad general el campo gravitatorio newtoniano pasa a ser la geometria del espacio-tiempo, y en concreto su métrica, un tensor de orden 2 (una matriz, para entendernos). A partir de la métrica (que generaliza el potencial, la componente 00 de la métrica está relacionada con el potencial newtoniano clásico) se obtiene el tensor de curvatura de Ricci, otro tensor de orden 2. Cómo ya mencioné en la entrada anterior, comentando el libro sobre Riemman, la parte de geometría diferencial estaba hecha en 1902 o así, y la idea de que el espacio podría ser curvo llega hasta, cuanto menos, Gauss, y ya un físico formuló una idea de que la materia curvaba el espacio a mediados del siglo XIX. El éxito de Einstein fué pasar de esas consideraciones etéreas a algo mas concreto. En concreto, sospecho, la gran dificultad de la RG, que pasa desapercibida, y no se hace suficiente énfasis, es
cómo relacionar esas ideas geométricas con la materia. La solución, desde el punto de vista actual, es el tensor de energía momento. Una introducción muy detallada a las ideas básicas de ese tensor la podéis encontrar en el estupendo blog sobre la teoría de la relatividad, en concreto esta entrada. En física teórica se suele definir una fórmula general para obtener ese tensor a partir del lagrangiano de un campo. Ese campo puede ser el campo electromagnético, o un campo cuántico genérico, cómo el campo de klein-gordon o el de Dirac. Estos últimos surgen de la idea de tomar la “función de onda” de una partícula que cumpla las respectivas ecuaciones cómo un campo “clásico” cuyo valor se interpreta cómo la probabilidad de crear una partícula que cumpla esas ecuaciones (el bosón de Higgs seguiría la ecuación de Klein-Gordon, el electrón la de Dirac). Lo interesante es que esos lagrangianos, cuando tienen una masa en el término cinético, es una masa “escalar”. Uno se podría plantear que tal vez sea mas “natural” que ya de principio la masa sea un tensor, cómo el lado derecho de la ecuación, el tensor de Ricci. Desde luego no es esta la idea mas habitual. Lo que la gente ha buscado es que la materia sea en si misma algo con estructura geométrica. En esa línea lo último que he visto es un trabajo del famoso matemático (galardonado con la medalla fields), Michael Atiya Geometric Models of Matter que, la verdad, no ha tenido una gran repercusión.

Aparte de estas justificaciones “abstractas” otra motivación mas pragmática y fenomenológica vendría de la posibilidad de que sí vivimos en un “braneworld” en el que la materia está restringida a moverse en una brana tal vez haya alguna asimetría en la brana, que varíe de un punto a otro, y que esa asimetría cause esa “masa tensorial”. O, tal vez, podríamos pensar en un mecanismo de Higgs alterado, con un Higgs que no sea escalar sino vectorial, y que no represente una simetría interna sino externa. La verdad es que esto está muy traído por los pelos y, en última instancia, es casi mas interesante el juego conceptual, y lo que se puede aprender siguiéndolo, que la parte práctica, aunque nunca se sabe ;-).

Bien, entonces tras esta exposición de las motivaciones pasaré, en la siguiente entrada, a exponer cómo implementar la idea, y lo que se aprende en el intento.

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