Los 18 mayores misterios no resueltos por la Física

La Caja de Pandora 
En 1900 se dice que el físico británico Lord Kelvin pronunció: "No hay nada nuevo que se pueda descubrir en la física, todo lo que queda es una medida cada vez más precisa". En tres décadas, la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad de Einstein habían revolucionado el campo. Hoy, ningún físico se atrevería a afirmar que nuestro conocimiento físico del universo está casi terminado.

Por el contrario, cada nuevo descubrimiento parece desbloquear una caja de Pandora de preguntas aún más grandes, incluso más profundas de la física. Éstas son nuestras selecciones para las preguntas abiertas más profundas de todos. En su interior aprenderá acerca de los universos paralelos, por qué el tiempo parece moverse en una sola dirección y por qué no entendemos el caos.

¿Qué es la energía oscura? 
No importa cómo los astrofísicos ajusten los números, el universo simplemente no suma. A pesar de que la gravedad está tirando hacia adentro en el espacio-tiempo - la "tela" del cosmos - que mantiene la expansión hacia fuera más rápido y más rápido.

Para explicar esto, los astrofísicos han propuesto un agente invisible que contrarresta la gravedad al separar el espacio-tiempo. Lo llaman energía oscura. En el modelo más ampliamente aceptado de energía oscura, es una "constante cosmológica": una propiedad inherente del espacio mismo, que tiene "presión negativa" separando el espacio de conducción.

A medida que el espacio se expande, más espacio se crea, y con él, más energía oscura. Sobre la base de la tasa de expansión observada, los científicos saben que la suma de toda la energía oscura debe representar más del 70 por ciento del contenido total del universo. Pero nadie sabe cómo buscarlo. Los mejores investigadores han sido capaces de hacer en los últimos años es estrecho en un poco más de donde la energía oscura podría estar ocultando, que fue el tema de un estudio publicado en agosto de 2015.

¿Qué es materia oscura? 
Evidentemente, alrededor del 84 por ciento de la materia en el universo no absorbe ni emite luz. La "materia oscura", como se la llama, no puede verse directamente, y tampoco ha sido detectada por medios indirectos.

En cambio, la existencia y las propiedades de la materia oscura se deducen de sus efectos gravitacionales sobre la materia visible, la radiación y la estructura del universo. Se cree que esta sustancia sombría impregna las afueras de las galaxias, y puede estar compuesta de "partículas masivas que interactúan débilmente", o WIMPs.

En todo el mundo, hay varios detectores en busca de WIMPs, pero hasta ahora, no se ha encontrado uno. Un estudio reciente sugiere que la materia oscura podría formar corrientes largas y finas en todo el universo, y que tales corrientes podrían irradiar desde la Tierra como pelos.

¿Por qué hay una flecha del tiempo? 
El tiempo avanza porque una propiedad del universo llamada "entropía", definida aproximadamente como el nivel de desorden, sólo aumenta, y por lo tanto no hay manera de revertir un aumento de la entropía después de que haya ocurrido.

El hecho de que la entropía aumente es una cuestión de lógica: hay más arreglos desordenados de partículas que arreglos ordenados, y así como las cosas cambian, tienden a caer en desorden. Pero la pregunta subyacente aquí es, ¿por qué la entropía era tan baja en el pasado?

Dicho de otra manera, ¿por qué el universo fue así ordenado en su inicio, cuando una enorme cantidad de energía se apiñó en una pequeña cantidad de espacio?

¿Existen universos paralelos? 
Los datos astrofísicos sugieren que el espacio-tiempo puede ser "plano", en lugar de curvado, y por lo tanto, que continúa para siempre. Si es así, entonces la región que podemos ver (que pensamos como "el universo" es sólo un parche en un infinitamente grande "multiverso acolchado".

Al mismo tiempo, las leyes de la mecánica cuántica dictan que sólo hay un número finito de posibles configuraciones de partículas dentro de cada parche cósmico (10 ^ 10 ^ 122 posibilidades distintas). Así, con un número infinito de remiendos cósmicos, los arreglos de partículas dentro de ellos se ven obligados a repetir - infinitamente más veces.

Esto significa que hay infinitos universos paralelos: parches cósmicos exactamente iguales a los nuestros (que contienen a alguien exactamente como tú), así como parches que difieren por la posición de una sola partícula, parches que difieren por las posiciones de dos partículas, y así sucesivamente hasta Parches que son totalmente diferentes de los nuestros.

¿Hay algo mal con esa lógica, o es su resultado extraño verdad? Y si es cierto, ¿cómo podríamos detectar la presencia de universos paralelos? Echa un vistazo a esta excelente perspectiva desde 2015 que mira hacia lo que significaría "universos infinitos".

¿Por qué hay más materia que antimateria? 
La cuestión de por qué hay tanta más materia que su gemelo gemelo, antimateria, cargado de forma opuesta y opuesta, es en realidad una cuestión de por qué existe algo en absoluto. Se supone que el universo trataría la materia y la antimateria simétricamente, y así que, en el momento del Big Bang, debían producirse cantidades iguales de materia y antimateria.

Pero si eso hubiera ocurrido, habría habido un aniquilamiento total de ambos: los protones se habrían cancelado con antiprotones, electrones con anti-electrones (positrones), neutrones con antineutrones, etc., dejando detrás de un mar apagado de fotones en una materia extensión. Por alguna razón, había exceso de materia que no se aniquiló, y aquí estamos. Para esto, no hay una explicación aceptada.

La prueba más detallada hasta la fecha de las diferencias entre la materia y la antimateria, anunciada en agosto de 2015, confirma que son imágenes especulares entre sí, proporcionando exactamente cero nuevos caminos para entender el misterio de por qué la materia es mucho más común.

¿Cuál es el destino del universo? 
El destino del universo depende en gran medida de un factor de valor desconocido: Ω, una medida de la densidad de materia y energía en todo el cosmos. Si Ω es mayor que 1, entonces el espacio-tiempo sería "cerrado" como la superficie de una enorme esfera. Si no hay energía oscura, tal universo eventualmente dejaría de expandirse y en cambio empezaría a contraerse, eventualmente colapsando en sí mismo en un evento llamado el "Big Crunch". Si el universo está cerrado pero hay energía oscura, el universo esférico se expandiría para siempre.

Alternativamente, si Ω es menor que 1, entonces la geometría del espacio estaría "abierta" como la superficie de una silla de montar. En este caso, su destino final es el "Big Freeze" seguido por el "Big Rip": primero, la aceleración externa del universo desgarraría galaxias y estrellas, dejando a toda la materia frígida y sola. A continuación, la aceleración crecería tan fuerte que sobrepasaría los efectos de las fuerzas que mantienen unidos a los átomos, y todo se rompería.

Si Ω = 1, el universo sería plano, extendiéndose como un plano infinito en todas las direcciones. Si no hay energía oscura, tal universo planar se expandiría para siempre pero a una velocidad continuamente decelerando, acercándose a una parada. Si hay energía oscura, el universo plano, en última instancia, experimentaría una expansión desbocada que conduciría al Big Rip. Independientemente de cómo se desarrolle, el universo se está muriendo, un hecho discutido en detalle por el astrofísico Paul Sutter en el ensayo de diciembre de 2015.

¿Cómo las mediciones colapsan las funciones de onda cuánticas? 
En el extraño reino de los electrones, los fotones y las otras partículas fundamentales, la mecánica cuántica es la ley. Las partículas no se comportan como pequeñas bolas, sino como las ondas que se extienden sobre un área grande.

Cada partícula es descrita por una "función de onda", o distribución de probabilidad, que indica cuál es su ubicación, velocidad y otras propiedades más probables de ser, pero no cuáles son esas propiedades. La partícula tiene en realidad una gama de valores para todas las propiedades, hasta que experimente una de ellas - su ubicación, por ejemplo - en que punto la función de onda de la partícula "colapsa" y adopta una sola ubicación.

Pero ¿cómo y por qué la medición de una partícula hace que su función de onda se derrumbe, produciendo la realidad concreta que percibimos que existe? El problema, conocido como el problema de la medición, puede parecer esotérico, pero nuestra comprensión de lo que es la realidad, o si existe en absoluto, depende de la respuesta.

¿Es correcta la teoría de cuerdas? 
Cuando los físicos asumen que todas las partículas elementales son en realidad bucles unidimensionales, o "cuerdas", cada una de las cuales vibra a una frecuencia diferente, la física se hace mucho más fácil.

La teoría de cuerdas permite a los físicos reconciliar las leyes que gobiernan las partículas, llamadas mecánica cuántica, con las leyes que gobiernan el espacio-tiempo, llamadas relatividad general, y unificar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza en un solo marco. Pero el problema es que la teoría de cuerdas sólo puede funcionar en un universo con 10 o 11 dimensiones: tres espaciales grandes, seis o siete espaciados compactos y una dimensión temporal.

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Las dimensiones espaciales compacta - así como las cuerdas vibrantes mismas - son alrededor de una billonésima de un trillónimo del tamaño de un núcleo atómico. No hay manera concebible de detectar algo tan pequeño, y por lo tanto no hay manera conocida de validar experimentalmente o invalidar la teoría de cuerdas.

¿Hay orden en el caos? 
Los físicos no pueden resolver exactamente el conjunto de ecuaciones que describen el comportamiento de los fluidos, del agua al aire a todos los demás líquidos y gases. De hecho, no se sabe si existe una solución general de las así llamadas ecuaciones de Navier-Stokes, o si hay una solución, si describe fluidos en todas partes, o contiene puntos intrínsecamente desconocidos llamados singularidades.

Como consecuencia, la naturaleza del caos no es bien entendida. Los físicos y los matemáticos se preguntan, ¿es el tiempo meramente difícil de predecir, o inherentemente impredecible? ¿La turbulencia trasciende la descripción matemática, o todo tiene sentido cuando se aborda con la matemática correcta?

¿Las fuerzas del universo se funden en una sola? 
El universo experimenta cuatro fuerzas fundamentales: el electromagnetismo, la fuerza nuclear fuerte, la interacción débil (también conocida como fuerza nuclear débil) y la gravedad. Hasta la fecha, los físicos saben que si aumente la energía suficiente - por ejemplo, dentro de un acelerador de partículas - tres de esas fuerzas "unificar" y convertirse en una sola fuerza.

Los físicos han corrido aceleradores de partículas y unificado la fuerza electromagnética y las interacciones débiles, ya energías superiores, lo mismo debería suceder con la fuerza nuclear fuerte y, finalmente, la gravedad. Pero aunque las teorías dicen que debe suceder, la naturaleza no siempre obliga. Hasta ahora, ningún acelerador de partículas ha alcanzado energías lo suficientemente altas como para unificar la fuerza fuerte con el electromagnetismo y la interacción débil. Incluir la gravedad significaría aún más energía.

No está claro si los científicos podrían incluso construir uno tan poderoso; El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), cerca de Ginebra, puede enviar partículas que se estrellan entre sí con energías en los trillones de electrones voltios (alrededor de 14 tera-electronvoltios, o TeV). Para alcanzar las energías de la gran unificación, las partículas necesitarían por lo menos un trillón de veces más, por lo que los físicos deben buscar evidencia indirecta de tales teorías.

¿Qué sucede dentro de un agujero negro? 
¿Qué sucede con la información de un objeto si es aspirado en un agujero negro? De acuerdo con las teorías actuales, si usted fuera a caer un cubo de hierro en un agujero negro, no habría manera de recuperar cualquier de esa información.

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Eso es porque la gravedad de un agujero negro es tan fuerte que su velocidad de escape es más rápida que la luz - y la luz es lo más rápido que hay. Sin embargo, una rama de la ciencia llamada mecánica cuántica dice que la información cuántica no puede ser destruida. "Si aniquilas esta información de alguna manera, algo pasa mal", dijo Robert McNees, profesor asociado de física en la Universidad Loyola de Chicago.

La información cuántica es un poco diferente de la información que almacenamos como 1s y 0s en una computadora, o las cosas en nuestro cerebro. Esto se debe a que las teorías cuánticas no proporcionan información exacta sobre, por ejemplo, dónde estará un objeto, como calcular la trayectoria de una pelota de béisbol en mecánica. En su lugar, estas teorías revelan la ubicación más probable o el resultado más probable de alguna acción.

Como consecuencia, todas las probabilidades de varios eventos deben sumar hasta 1, o 100 por ciento. (Por ejemplo, cuando se lanza un dado de seis caras, las probabilidades de que una cara dada que sube es un sexto, por lo que las probabilidades de todas las caras se suman a 1, y no puede ser más del 100 por ciento de algo cierto La teoría cuántica es, por lo tanto, llamada unitaria. Si sabe cómo termina un sistema, puede calcular cómo comenzó.

Para describir un agujero negro, todo lo que necesitas es masa, momento angular (si está girando) y carga. Nada sale de un agujero negro excepto un lento chorro de radiación térmica llamado radiación Hawking. Por lo que se sabe, no hay manera de hacer ese cálculo inverso para averiguar lo que el agujero negro realmente engullido. La información es destruida. Sin embargo, la teoría cuántica dice que la información no puede estar completamente fuera de alcance. Ahí radica la "paradoja de la información".

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McNees dijo que ha habido mucho trabajo sobre el tema, especialmente Stephen Hawking y Stephen Perry, quienes sugirieron en 2015 que, en lugar de ser almacenados dentro de las profundas garras de un agujero negro, la información permanece en su frontera, llamada el evento horizonte. Muchos otros han intentado resolver la paradoja. Hasta ahora, los físicos no pueden ponerse de acuerdo en la explicación, y es probable que discrepen durante algún tiempo.

¿Existen singularidades desnudas? 
Una singularidad ocurre cuando alguna propiedad de una "cosa" es infinita, y así las leyes de la física como las conocemos se descomponen. En el centro de los agujeros negros se encuentra un punto que es infinitamente teensy y denso (lleno de una cantidad finita de materia) - un punto llamado una singularidad.

En matemáticas, las singularidades vienen todo el tiempo - dividir por cero es una instancia, y una línea vertical en un plano de coordenadas tiene una pendiente "infinita". De hecho, la pendiente de una línea vertical es simplemente indefinida. Pero, ¿cómo sería una singularidad? ¿Y cómo interactuaría con el resto del universo? ¿Qué significa decir que algo no tiene superficie real y es infinitamente pequeño?

Una singularidad "desnuda" es aquella que puede interactuar con el resto del universo. Los agujeros negros tienen horizontes de eventos - regiones esféricas de las que nada, ni siquiera la luz, puede escapar. A primera vista, podríamos pensar que el problema de las singularidades desnudas se resuelve en parte para los agujeros negros al menos, ya que nada puede salir del horizonte de eventos y la singularidad no puede afectar al resto del universo. (Es "vestido", por así decirlo, mientras que una singularidad desnuda es un agujero negro sin un horizonte de sucesos).

Pero si las singularidades pueden formarse sin un horizonte de sucesos sigue siendo una cuestión abierta. Y si pueden existir, entonces la teoría de Albert Einstein de la relatividad general necesitará una revisión, porque se descompone cuando los sistemas están demasiado cerca de una singularidad. Las singularidades desnudas también podrían funcionar como agujeros de gusano, que también serían máquinas de tiempo, aunque no hay evidencia de esto en la naturaleza.

Violar la simetría de paridad de carga 
Si intercambias una partícula con su hermano de antimateria, las leyes de la física deben permanecer iguales. Así, por ejemplo, el protón positivamente cargado debe tener el mismo aspecto que un antiprotón cargado negativamente.

Ese es el principio de la simetría de carga. Si cambia a izquierda y derecha, de nuevo, las leyes de la física deberían ser iguales. Eso es simetría de paridad. Juntos, los dos se llaman simetría de CP. La mayor parte del tiempo, esta regla de la física no es violada.

Sin embargo, ciertas partículas exóticas violan esta simetría. McNees dijo que por eso es extraño. "No debería haber ninguna violación del CP en la mecánica cuántica", dijo. "No sabemos por qué eso es."

Cuando las ondas sonoras hacen luz 
Aunque las preguntas de física de partículas explican muchos problemas no resueltos, algunos misterios pueden observarse en un laboratorio de laboratorio. La sonoluminiscencia es una de esas. Si toma un poco de agua y la golpea con ondas de sonido, se formarán burbujas.

Esas burbujas son regiones de baja presión rodeadas por alta presión; La presión exterior empuja el aire de presión inferior y las burbujas se derrumban rápidamente. Cuando esas burbujas se derrumban, emiten luz, en destellos que duran trillonesths de un segundo. El problema es que no está claro cuál es la fuente de la luz.

Las teorías varían desde pequeñas reacciones de fusión nuclear hasta algún tipo de descarga eléctrica, o incluso de calentamiento por compresión de los gases dentro de las burbujas. Los físicos han medido temperaturas altas dentro de estas burbujas, del orden de decenas de miles de grados Fahrenheit, y tomaron numerosas imágenes de la luz que producen. Pero no hay una buena explicación de cómo las ondas de sonido crean estas luces en una burbuja.

¿Qué hay más allá del Modelo Estándar? 
El Modelo Estándar es una de las teorías físicas más exitosas jamás ideadas. Se ha estado de pie a los experimentos para probarlo durante cuatro décadas, y nuevos experimentos siguen mostrando que es correcto.

El modelo estándar describe el comportamiento de las partículas que componen todo lo que nos rodea, así como explicar por qué, por ejemplo, las partículas tienen masa. De hecho, el descubrimiento del bosón de Higgs -una partícula que da materia a su masa- en 2012 fue un hito histórico porque confirmó la predicción de larga data de su existencia.

Pero el Modelo Estándar no lo explica todo. El Modelo Estándar ha hecho muchas predicciones exitosas -por ejemplo, el bosón de Higgs, el bosón W y Z (que median las interacciones débiles que gobiernan la radiactividad) y los quarks entre ellos- por lo que es difícil ver dónde la física puede ir más allá.

Dicho esto, la mayoría de los físicos están de acuerdo en que el Modelo Estándar no está completo. Hay varios contendientes para modelos nuevos y más completos - la teoría de cuerdas es uno de esos modelos - pero hasta el momento, ninguno de ellos ha sido verificado de manera concluyente por experimentos.

Constantes fundamentales 
Las constantes sin dimensiones son números que no tienen unidades conectadas a ellos. La velocidad de la luz, por ejemplo, es una constante fundamental medida en unidades de metros por segundo (o 186.282 millas por segundo). A diferencia de la velocidad de la luz, las constantes adimensionales no tienen unidades y pueden medirse, pero no pueden derivarse de teorías, mientras que las constantes como la velocidad de la luz pueden ser.

En su libro "Sólo seis números: las fuerzas profundas que forman el universo" (Basic Books, 2001), el astrónomo Martin Rees se centra en ciertas "constantes adimensionales" que considera fundamentales para la física. De hecho, hay muchos más de seis; Alrededor de 25 existen en el Modelo Estándar.

Por ejemplo, la constante de estructura fina, usualmente escrita como alfa, rige la fuerza de las interacciones magnéticas. Se trata de 0,007297. Lo que hace extraño este número es que si fuera diferente, la materia estable no existiría. Otra es la proporción de las masas de muchas partículas fundamentales, tales como electrones y quarks, a la masa de Planck (que es 1,22 '1019 GeV / c2).

A los físicos les encantaría descubrir por qué esos números particulares tienen los valores que ellos hacen, porque si fueran muy diferentes, las leyes físicas del universo no permitirían que los humanos estuvieran aquí. Y sin embargo, aún no existe una explicación teórica convincente de por qué tienen esos valores.

¿Qué diablos es la gravedad, de todos modos? 
¿Qué es la gravedad? Otras fuerzas están mediadas por partículas. El electromagnetismo, por ejemplo, es el intercambio de fotones. La fuerza nuclear débil es llevada por los bosones W y Z, y los gluones llevan la fuerza nuclear fuerte que sostiene los núcleos atómicos juntos.

McNees dijo que todas las otras fuerzas pueden ser cuantizadas, lo que significa que podrían expresarse como partículas individuales y tienen valores no continuos. La gravedad no parece ser así. La mayoría de las teorías físicas dicen que debe ser llevada por una hipotética partícula sin masa llamada gravitón. El problema es que nadie ha encontrado gravitones todavía, y no está claro que cualquier detector de partículas que pudiera construirse pudiera verlos, porque si los gravitones interactúan con la materia, lo hacen muy, muy raramente - tan rara vez que serían invisibles contra El ruido de fondo.

Ni siquiera está claro que los gravitones no tienen masa, aunque si tienen una masa, son muy, muy pequeños, más pequeños que los neutrinos, que están entre las partículas más ligeras conocidas. La teoría de las cuerdas postula que los gravitones (y otras partículas) son circuitos cerrados de energía, pero el trabajo matemático no ha dado mucha información hasta ahora.

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Debido a que los gravitones no se han observado aún, la gravedad ha resistido los intentos de entenderlo en la forma en que entendemos otras fuerzas - como un intercambio de partículas. Algunos físicos, notablemente Theodor Kaluza y Oskar Klein, postularon que la gravedad puede funcionar como una partícula en dimensiones adicionales más allá de los tres del espacio (longitud, anchura y altura) y una de tiempo (duración) que conocemos, Es cierto todavía se desconoce.

¿Vivimos en un vacío falso? 
El universo parece relativamente estable. Después de todo, ha estado alrededor por cerca de 13.8 mil millones años. Pero ¿y si todo esto fuera un accidente masivo? Todo comienza con el Higgs y el vacío del universo. El vacío, o espacio vacío, debe ser el estado de energía más bajo posible, porque no hay nada en él. Mientras tanto, el bosón de Higgs - a través del llamado campo de Higgs - da todo su masa.

Alexander Kusenko, profesor de física y astronomía de la Universidad de California en Los Ángeles, dijo que el estado de energía del vacío puede calcularse a partir de la energía potencial del campo de Higgs y las masas del Higgs y de la parte superior Quark (una partícula fundamental). Hasta ahora, esos cálculos parecen mostrar que el vacío del universo podría no estar en el estado de energía más bajo posible. Eso significaría que es un vacíofalso.

Si eso es cierto, nuestro universo podría no ser estable, porque unvacío falso puede ser golpeado en un estado de energía inferior por un evento suficientemente violento y de alta energía. Si eso fuera a suceder, habría un fenómeno llamado nucleación de la burbuja. Una esfera de vacío de menor energía comenzaría a crecer a la velocidad de la luz. Nada, ni siquiera la materia misma, sobreviviría. Efectivamente, estaríamos reemplazando el universo por otro que podría tener leyes físicas muy diferentes.

Eso suena asustadizo, pero dado que el universo todavía está aquí, claramente no ha habido tal acontecimiento todavía, y los astrónomos han visto explosiones de rayos gamma, supernovas y quásares, todos los cuales son bastante energéticos. Así que es probablemente poco probable que no tendríamos que preocuparnos.

Dicho esto, la idea de un vacío falso significa que nuestro universo podría haber aparecido en la existencia de esa manera, cuando elvacío falso del universo anterior fue golpeado en un estado de energía inferior. Tal vez fuimos el resultado de un accidente con un acelerador de partículas.