He participado en el episodio 442 del podcast Coffee Break: Señal y Ruido [iVoox A, iVoox B; iTunes A y iTunes B], titulado “Ep442: Tormentas Solares; Metales Extraños; Gravedad Poscuántica; Espacio-Tiempo e Información Cuántica», 14 dic 2023. «La tertulia semanal en la que repasamos las últimas noticias de la actualidad científica. En el episodio de hoy: Cara A: La gran tormenta solar de 1872 (11:30). La posible ausencia de cuasipartículas en los metales extraños (48:00). Cara B: El paper de J. Oppenheim que estudia la posibilidad de que la gravedad sea fundamentalmente clásica: (00:00). Resumen del workshop “Spacetime and Quantum Information” en el IAS de Princeton (44:17). La posibilidad de que la estrella S0-6 que orbita a Sgr A* en centro galáctico haya sido atrapada y no venga de nuestra galaxia (1:15:36). Señales de los oyentes (1:21:17). Imagen de portada realizada por Héctor con Midjourney. Todos los comentarios vertidos durante la tertulia representan únicamente la opinión de quien los hace… y a veces ni eso».

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Descargar el episodio 442 cara A.

Descargar el episodio 442 cara B.

Como muestra el vídeo participamos por videoconferencia Héctor Socas Navarro @HSocasNavarro (@pCoffeeBreak), Gastón Giribet @GastonGiribet (solo cara B), y Francis Villatoro @emulenews. Por cierto, agradezco a Manu Pombrol @Manupombrol el nuevo diseño de mi fondo navideño para Zoom. Muchas gracias, Manu.

Tras la presentación de Héctor, agradezco a Manu Pombrol el nuevo diseño de fondo navideño para Zoom que me ha regalado. Héctor anuncia la proyección del documental Starmus VI el próximo viernes 15 de diciembre, a las 17:00, en el Museo de la Ciencia y el Cosmos de Tenerife; la proyección contará con la presencia del fundador del festival Garik Israelian. ¡No se lo pierdan!

Yo anuncio mi charla de mañana viernes 15 de diciembre de 2023, a las 18:30, en el Rectorado de la Universidad de Málaga. Titulada «Attofotónica: Destellos de Trillonésimas de Segundo» sobre el Premio Nobel de Física de 2023, en el cuarto Ciclo de Charlas Sobre los Premios Nobel 2023 coordinado por Antonio J. Morales Siles (Facultad de Ciencias Económicas y Empresariales, UMA) y Enrique Viguera (Facultad de Ciencias, UMA), y organizado por la Universidad de Málaga y UMA Divulga; colaboran la FECYT, Encuentros con la Ciencia, UCC+i, ECO-razon, Smart Decision Lab y la Red de Unidades de Cultura Científica y de la Innovación. No te pierdas mi charla.

Héctor nos comenta un artículo en Astrophysical Journal sobre una gran tormenta solar del 4 de febrero de 1872 (bautizada tormenta Chapman–Silverman en este artículo). El evento Carrington ocurrido en septiembre de 1859 fue la tormenta solar más intensa registrada, seguida por la tormenta de mayo de 1921. Este nuevo artículo propone que la tormenta solar de 1872 pudo tener una intensidad similar a esas dos. Para ello se revisan las fuentes históricas disponibles, que se usan para estimar la actividad solar, la variación geomagnética y la visibilidad de auroras. La erupción solar ocurrió entre las 9 y 10 UT del 3 de febrero de 1872, llegando a la Tierra unas ≈29 horas más tarde, a las ≈14:27 UT el 4 de febrero de 1872, según los magnetogramas. Para estimar la intensidad de una tormenta solar se usa el parámetro Dst (Disturbance storm time) que mide (si tiene un valor negativo) cuánto se reduce el campo geomagnético; el artículo estima un valor de Dst ≤ −834 nT (nanoteslas), lo que implica un tormenta solar extrema; este valor se puede comparar con el Dst de −949 ± 31 nT del evento Carrington y de −907 ± 132 nT de la tormenta solar de 1921).

Se observaron auroras en Jacobabad (India británica) y en Shanghai (China). Los puntos rojos de esta figura muestran lugares desde los que se observaron auroras (el sesgo hacia Europa es debido al sesgo en los informes). Según Héctor lo más relevante de este artículo es que esta tormenta solar parece comparable al evento Carrington, así que debe ser elevada a una de las grandes tormentas solares de tiempos históricos. El artículo es Hisashi Hayakawa, Edward W. Cliver, …, Sam M. Silverman, «The Extreme Space Weather Event of 1872 February: Sunspots, Magnetic Disturbance, and Auroral Displays,» The Astrophysical Journal 959: 23 (01 Dec 2023), doi: https://doi.org/10.3847/1538-4357/acc6cc.

Comento que se ha observado la posible ausencia de cuasipartículas en un metal extraño. Recomiendo leer mi pieza «Posible ausencia de cuasipartículas en un nanohilo de un metal extraño», LCMF, 14 dic 2023, para más detalles. Los metales extraños son materiales en los que la resistividad depende de forma lineal de la temperatura (ρ ∼ T); en los metales «normales» depende de forma cuadrática (ρ ∼ T²). Los cupratos y pnicturos de hierro superconductores son metales extraños por encima de su temperatura crítica (T > Tc). ¿La corriente eléctrica en los metales extraños está mediada por cuasipartículas? Un artículo en Science concluye que no es así, gracias al estudio del ruido de disparo (shot noise) en un nanohilo de un metal extraño (YbRh₂Si₂). En concreto, se observa un factor de Fano F < 0.12 para temperaturas entre 3 y 10 K. Hay que comparar este valor con F = 1/3 ≈ 0. 33, que se observa para un nanohilo de oro de la misma longitud; este valor coincide con la predicción teórica para la conductividad mediada por cuasipartículas libres de tipo electrón en un nanohilo con longitud L < L_ee (cuya longitud es menor que la longitud típica de las colisiones electrón-electrón; por cierto, para L > L_ee se predice que F = √3 / 4 ≈ 0.43, valor que ha sido observado con nanohilos de oro de tamaño milimétrico). Si la conductividad en los metales extraño no está mediada por cuasipartículas, ¿qué fenómeno es el responsable? No se sabe; hay muchas especulaciones, entre ellas, que son materiales planckianos descritos por una teoría holográfica inspirada en la dualidad AdS/CFT.

El artículo está liderado por Douglas Natelson (Univ. Rice, Houston, Texas), autor del famoso blog Nanoscale Views. Se ha observado una supresión del ruido de disparo que se descarta que esté asociada a la interacción entre los electrones y los fonones. Se interpreta como resultado de la ausencia de cuasipartículas, algo que apoya un artículo teórico en Physical Review Research que estima el factor de Fano F = 1/6 (compatible con las observaciones de Natelson et al.) para un metal extraño sin cuasipartículas. Sin embargo, podría haber otras explicaciones para esta supresión del ruido de disparo, como la aparición de estados bosónicos que interaccionaran con las cuasipartículas de modo similar a los fonones, como propone otro artículo teórico en arXiv. Habrá que esperar que se alcance un consenso en la comunidad sobre como interpretar este nuevo y muy interesante resultado publicado en Science. Quizás en los próximos años se desvele el secreto de los metales extraños y, también podemos soñar, quizás ayude a desvelar el secreto de la superconductividad de alta temperatura. El nuevo artículo es Liyang Chen, Dale T. Lowder, …, Douglas Natelson, «Shot noise in a strange metal,» Science 382: 907-911 (23 Nov 2023), doi: https://doi.org/10.1126/science.abq6100, arXiv:2206.00673 [cond-mat.str-el] (01 Jun 2022). El nuevo artículo teórico a favor de la ausencia de cuasipartículas es Alexander Nikolaenko, Subir Sachdev, Aavishkar A. Patel, «Theory of shot noise in strange metals,» Phys. Rev. Research 5: 043143 (13 Nov 2023), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.5.043143, y en contra es Suppression of Tsz Chun Wu, Matthew S. Foster, «Shot Noise in a Dirty Marginal Fermi Liquid,» arXiv:2312.03071 [cond-mat.str-el] (05 Dec 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2312.03071.

Más información divulgativa en Charlie Wood, «Meet Strange Metals: Where Electricity May Flow Without Electrons. For 50 years, physicists have understood current as a flow of charged particles. But a new experiment has found that in at least one strange material, this understanding falls apart,» Quanta Magazine, 27 Nov 2023. Y, por supuesto, en el blog de Douglas Natelson, «Noise in a strange metal —pushing techniques into new systems,» nanoscale views, 27 Nov 2023.

Nos cuenta Gastón el último artículo de Jonathan Oppenheim (University College de Londres) que propone una teoría poscuántica de la gravitación clásica. No está claro que significa «poscuántica», parece un término elegido para evitar la palabra «precuántica», ya usada para otra cosa, pero que describe mejor esta idea: superar las dificultades de cuantizar la gravitación de Einstein negando la mayor, afirmando que la gravitación es clásica a  todas las energías. Acoplar esta idea genera muchos problemas físicos (violaciones de la localidad, cambios en la decoherencia cuántica, cambios en la física estadística cuántica, etc.) y matemáticos (pues aparecen términos cuánticos no lineales que generan muchas dificultades matemáticas). Gastón afirma que por simple gusto personal, este tipo de teorías no le gustan porque son feas: todas las interacciones serían cuánticas, salvo la gravitación, porque no sabemos cuantizarla (nuestra incapacidad elevada a ley física). Gastón presenta su visión de la idea de Oppenheim, sin entrar en detalles técnicos. A nivel divulgativo, su presentación me parece excelente, aunque esconde todos los problemas de la idea bajo la alfombra divulgativa.

En el podcast intento aclarar cuál es el punto clave de la idea de Oppenheim (en mi opinión). En física hay que diferenciar entre un sistema cerrado (que exige una descripción completa) y un sistema abierto (que no puede tener una descripción completa porque está en contacto con un entorno tan complejo que es imposible describirlo). Los sistemas cuánticos cerrados (no relativistas) están gobernados por la ecuación de Schrödinger, la llamada evolución unitaria, que es reversible y, como dice Héctor, determinista (en el sentido de ser predecible de forma unívoca). Los sistemas cuánticos abiertos están descritos por la ecuación de Lindblad (a veces llamada ecuación GKSL, que también es una ecuación no relativista), cuya evolución no es unitaria, siendo irreversible y, como dice Héctor, estocástica (en el sentido de que en ciertos procesos, como en la medida cuántica, el resultado se selecciona de forma aleatoria entre varias posibilidades). La idea de Oppenheim es negar la existencia de los sistemas cuánticos cerrados; todo sistema cuántico es abierto y debe ser descrito por la ecuación de Lindblad, ya que el espaciotiempo clásico actúa como entorno para todos los sistemas físicos. Toda la física sería Lindbladiana gracias a que la gravitación es clásica (a Oppenheim le gustaría que toda la física fuese Oppenheimiana).

La gran cuestión es cómo se introduce el efecto del espaciotiempo como entorno en la ecuación de Lindblad. Oppenheim propone añadir un término difusivo, una especie de «difusión gravitacional». Una elección arbitraria, inspirada en las teorías dinámicas del colapso de la función de onda, como la teoría de Diósi–Penrose. Como toda difusión, la «difusión gravitacional» evoluciona de forma instantánea (recuerda que el calor en la ley de Fourier se propaga a velocidad infinita, porque es una teoría efectiva que no tiene en cuenta que el origen del calor son los fonones que se propagan a velocidad finita); esto no es un problema ya que tanto la ecuación de Schrödinger como la ecuación de Lindblad son ecuaciones no relativistas. La idea de Oppenheim implica que todo sistema cuántico aparecerán efectos «térmicos» (una especie de «calor gravitacional» cuya fuente es una «masa efectiva») que alterarán la evolución de la decoherencia cuántica. Para sistemas cuánticos cerrados convencionales este efecto se puede hacer tan pequeño como sea necesario para que sea imposible detectarlo en los experimentos (pues el entorno es el espaciotiempo vacío, luego sus efectos gravitacionales pueden ser tan pequeña como sea necesario, de hecho, bien podría ser que su «masa efectiva» fuera cero).

El problema está en los sistemas cuánticos cerrados que incluyen grandes masas cuyos efectos gravitacionales no se pueden despreciar. En dicho caso el «calor gravitacional» no puede ser despreciado y la «difusión gravitacional» introduce una escala de tiempo que modifica la escala de tiempo de la decoherencia. Gracias a ello la teoría de Oppenheim se podría confrontar con experimentos. El problema es que hacer experimentos cuánticos con objetos macroscópicos de gran masa es muy difícil. Por cierto, la teoría de Oppenheim escapa de las refutaciones de la teoría de Diósi–Penrose, que se basan en objetos de masa muy pequeña, gracias a que la «difusión gravitacional» depende de una «masa efectiva» (la masa que es la fuente del «calor gravitacional» no es la masa newtoniana, sino una «masa efectiva» que tiene en cuenta la curvatura del espaciotiempo mediante cierto promedio del tensor de energía-momento). Gracias a ello, Oppenheim siempre puede decir que, en una refutación de la teoría de Diósi–Penrose, se ha usado una estimación inapropiada de la «masa efectiva» (que sería mucho más pequeña de la usada en dicho experimento, tan pequeña como sea necesario para escapar de la refutación).

En resumen, en mi opinión, la teoría de Oppenheim no es falsable, a pesar de que en muchos medios se ha vendido como tal. El artículo que nos presenta Gastón es Jonathan Oppenheim, «A Postquantum Theory of Classical Gravity?» Phys. Rev. X 13: 041040 (04 Dec 2023), doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.13.041040, arXiv:1811.03116 [hep-th] (07 Nov 2018); que se ha publicado de forma simultánea con Jonathan Oppenheim, Carlo Sparaciari, …, Zachary Weller-Davies, «Gravitationally induced decoherence vs space-time diffusion: testing the quantum nature of gravity,» Nature Communications 14: 7910 (04 Dec 2023), doi: https://doi.org/10.1038/s41467-023-43348-2, arXiv:2203.01982 [quant-ph] (03 Mar 2022); este último artículo deja claro que la difusión gravitacional debe ser independiente de la decoherencia para garantizar que la idea de Oppenheim esquive todos los experimentos actuales que podrían refutarla (y, en mi opinión, también toda futura refutación). Más información divulgativa en Thomas Galley, «Might There Be No Quantum Gravity After All?» APS Physics 16: 203 (04 Dec 2023), https://physics.aps.org/articles/v16/203; Thomas Lewton, «The Physicist Who’s Challenging the Quantum Orthodoxy. For decades, physicists have struggled to develop a quantum theory of gravity. But what if gravity — and space-time — are fundamentally classical?» Quanta Magazine, 10 Jul 2023; Ethan Siegel, «Ask Ethan: Is it possible that gravity isn’t quantum?» Starts with a Bang, 08 Dec 2023. César Tomé, «La comprobación experimental de la teoría postcuántica de la gravedad clásica,» Cuaderno de Cultura Científica, 12 dic 2023.

Por cierto, Oppenheim está haciendo un gran campaña a favor de su teoría (que nació hace varios años). Los interesados en esta teoría deben leerse todos estos artículos: un sistema cuántico se volvería clásico cuando el cociente entre la constante de Planck y la escala de tiempo de decoherencia tiende a cero (ħ/𝜏→0), en lugar de cuando ħ→0, o 𝜏→0, según Isaac Layton, Jonathan Oppenheim, «The classical-quantum limit,» arXiv:2310.18271 [quant-ph] (27 Oct 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.18271; para sistemas cuánticos, la ecuación de Einstein Gᵤᵥ​ ​= κ ​Tᵤᵥ debe ser sustituida por Gᵤᵥ​ ​= κ ​〈Tμᵤᵥ〉, según Jonathan Oppenheim, «Is it time to rethink quantum gravity?» arXiv:2310.12221 [gr-qc] (18 Oct 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.12221 , y Isaac Layton, Jonathan Oppenheim, Zachary Weller-Davies, «A healthier semi-classical dynamics,» arXiv:2208.11722 [quant-ph] (24 Aug 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2208.11722; en el límite newtoniana (aplicable a todos los experimentos de laboratorio), entre la decoherencia  (D₀) y la difusión gravitacional (D₂) se cumple la siguiente relación 4 D₀ D₂ ≥ 1, según Isaac Layton, Jonathan Oppenheim, …, Zachary Weller-Davies, «The weak field limit of quantum matter back-reacting on classical spacetime,» arXiv:2307.02557 [gr-qc] (05 Jul 2023), doi: https://doi.org/10.1007/JHEP08%282023%29163; la acción en las integrales de camino de la mecánica cuántica deben ser modificadas incorporando D₀ y D₂, resultando la llamada proto-acción, según Jonathan Oppenheim, Zachary Weller-Davies, «Covariant path integrals for quantum fields back-reacting on classical space-time,» arXiv:2302.07283 [gr-qc] (14 Feb 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2302.07283, y Jonathan Oppenheim, Zachary Weller-Davies, «Path integrals for classical-quantum dynamics,» arXiv:2301.04677 [quant-ph] (11 Jan 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2301.04677; etc.

Gastón nos resume el último Workshop “Spacetime and Quantum Information” en el IAS de Princeton, que ha disfrutado mucho. En Twitter, Gastón publicó estas fotos del Institute of Advanced Studies durante su visita a este workshop. Nos cuenta que se estudia la correspondencia AdS/CFT de Juan Martín Maldacena, en la que el espaciotiempo emerge a partir de correlaciones cuánticas en una teoría cuántica conforme definida en un espaciotiempo no explorable de forma directa. En este sentido, esta idea se parece a que la «realidad es una simulación» (aunque Héctor aclara que sin alguien que simula, o que controla dicha simulación). Para Gastón, estas ideas se pueden rastrear en la Filosofía del pasado. Recomiendo consultar el programa científico, que incluye enlace al vídeo en Youtube de las charlas. Yo disfrutaré de estas charlas durante estas fiestas navideñas (ya que, por falta de tiempo, no he podido hacerlo hasta ahora).

Gastón nos comenta la posibilidad de que la estrella S0-6 que orbita a Sgr A* en el centro galáctico haya sido atrapada por nuestra galaxia. Se publica esta hipótesis en Proceedings of the Japan Academy, Series B, tras analizar las imágenes del Telescopio Subaru obtenidas durante 8 años. La estrella S0-6 se encuentra a 0.04 años luz de Sagitario A* (Sgr A*) y se estima que su edad es de unos diez mil millones de años. Además, su temperatura, su edad y su composición estimada a partir de su espectro en el infrarrojo cercano (cámara y espectrógrafos infrarrojos IRCS de Subaru), en concreto los cocientes [M/H], [Fe/H], [α/Fe], [Ca/Fe], [Mg/Fe] y [Ti/Fe], es muy similar a la de las estrellas de dos galaxias enanas de la Vía Láctea, la Pequeña Nube de Magellanes y la Galaxia Enana de Sagitario. Todo ello sugiere que se trataría de una estrella de dichas galaxias enanas que ha sido capturada por las grandes fuerzas de marea gravitacionales de la Vía Láctea (lo que implica que habría viajado en espiral unos cincuenta mil años luz de distancia antes de ser capturada).

El artículo es Shogo Nishiyama, Tomohiro Kara, …, Rainer Schödel, «Origin of an orbiting star around the galactic supermassive black hole,» Proceedings of the Japan Academy, Series B 100: 007 (01 Dec 2023), doi: https://doi.org/10.2183/pjab.100.007. Más información divulgativa en la nota de prensa del NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan), «A 10-billion-year, 50,000-light-year journey to a black hole,» Phys.org, 04 Dec 2023.

Y pasamos a Señales de los Oyentes. Thomas Villa​ pregunta: «He leído que las dimensiones extra en teoría de cuerdas son necesarias para evitar términos negativos o imaginarios… ¿podrían ser problemas de nuestros modelos matemáticos (diagramas de Feynman)?» Contesta Gastón que el número de dimensiones extra no es debido a problemas matemáticos, sino que es una de las predicciones de la teoría, consecuencia de los requisitos de consistencia de la teoría. El origen concreto es la eliminación de una anomalía (que ciertas simetrías de la teoría clásica se pierden al cuantizarla), lo que fija el número de dimensiones extra. Además, en la teoría de cuerdas bosónicas se requiere para eliminar los taquiones (es decir, que los campos de espín cero son inestables). 

Henry Orozco pregunta: «¿Qué ha pasado con la teoría del campo unificado que hace rato no se nada de eso?» Gastón contesta que si se refiere a la teoría de campo unificado de Einstein, que tuvo muchas versiones, hoy sabemos que todas fueron intentos fallidos. Ya que eran intentos clásicos para intentar entender la física cuántica. Pero si se refiere a las teorías de gran unificación (GUT), contesto que se sigue investigando en ellas; se descartaron las más sencillas, pero se sigue publicando artículos en las demás (incluso se proponen nuevas cada poco tiempo). 

Jorge Alcácer pregunta: «Hay alguna partícula propuesta, en el modelo estándar o en nueva física, ¿que no se vea afectada por el campo gravitatorio?» Contesta Héctor que no, pues la fuente de la gravitación es la densidad de energía y de momento lineal. Recuerdo que toda partícula, por definición de partícula, tiene energía y momento lineal (relacionados por la ecuación de Einstein de la relatividad especial). 

Cristina Hernandez García​ pregunta: «Bombones virtuales para Francis y Gastón». Gracias (Gastón se había comido unos bombones que le regaló un estudiante justo antes de empezar el programa). «Para los existentes, la energía conservada se conserva. Para el espacio-tiempo, la nada absoluta no es ente ontológico válido ¿no? ¿Solo ideológico?» Contesta Gastón con un chascarrillo: «si usted no puede contestar a una pregunta, confúndalos». La nada no existe como ente ontológico, solo existe como idea. Aunque un kantiano diría que tampoco existe como idea (por cierto, la tesis doctoral de Gastón en Filosofía fue sobre Kant), pues todo lo que existe debe existir en el espacio. Pero, como no puede ser de otra forma, Gastón recurre a Borges, solo existe el tiempo. Concluye su diatriba afirmando que, como físicos, no podemos responder a estas preguntas sobre la nada. La física no es solo una descripción de los fenómenos observados, también es un medio para predecir nuevos fenómenos aún no observados. Solo podemos hacer física sobre lo que existe. 

Comento algo irrelevante, que algunos físicos abusan del lenguaje y usan la palabra «nada» en física, como Ed Witten con sus «bubble of nothing». Pero que este uso de la palabra «nada» no tiene nada que ver con el significado de la palabra nada que todo el mundo tiene en mente.

Henry Orozco​ comenta: «Se ve que has pensado bastante Gastón en Filosofia…» Héctor apostilla que Gastón es doctor en Filosofía. 

¡Que disfrutes del podcast!