Francis en MUY Interesante: Campos muy cuánticos y El vacío lleno de cuántica

Por Francisco R. Villatoro, el 25 diciembre, 2023. Categoría(s): Ciencia • Colaboración externa • Física • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Recomendación • Science ✎ 45

Se han publicado en la web de la revista MUY Interesante una versión recortada de mis artículos «Campos muy cuánticos», MUY, 18 dic 2023, y «El vacío lleno de cuántica», MUY, 23 dic 2023. Ambos artículos, en versión completa, se publicaron en el número de coleccionista de MUY Interesante nº. 25, «Mundo cuántico» (LCMF, 17 dic 2022) [tienda online]. Si no pudiste disfrutarlos entonces (o quieres volverlos a disfrutar) te recomiendo una (re)lectura de estas dos piezas. Y aprovecho para anunciar que contribuiré a un nuevo coleccionable sobre física cuántica que ya se está cociendo en las cocinas de MUY.

Campos muy cuánticos: «La mente se resiste al cambio conceptual del salto de los campos clásicos a los cuánticos».

Todo en el universo está hecho de espaciotiempo clásico y de campos cuánticos. Esta frase resume el legado más fascinante de la Física del siglo xx. La Física estudia la realidad, pero los físicos debemos ser honestos y reconocer que no sabemos qué es la realidad verdadera ni nunca lo sabremos. La razón es sencilla, solo se puede conocer lo que se puede explorar con experimentos y observaciones, la llamada realidad física.

Objetos descubiertos en el siglo xx, como las galaxias, los superconductores o el grafeno, no existían en la realidad física antes de 1900. De hecho, a mediados del siglo xx la realidad física estaba hecha de partículas como el electrón, el protón y el fotón; se ignoraba que el protón era una partícula compuesta y se creía que el espaciotiempo era un objeto matemático sin realidad física. Todo cambió en la segunda mitad del siglo xx, cuando se desveló que las partículas son un epifenómeno derivado de los campos cuánticos; además, se observaron las ondas gravitacionales y los agujeros negros, lo que elevó el espaciotiempo a algo real. Así, en el siglo xxi la realidad física está hecha de espaciotiempo en 3+1 dimensiones y de 118 campos cuánticos. Hay especulaciones científicas sobre dimensiones extra del espacio y nuevos campos cuánticos aún no observados, pero aún no forman parte de la realidad física.

«Solo existe un único electrón en el universo, que se propaga por el espacio y el tiempo de tal forma que parece que está en muchos sitios de forma simultánea». En apariencia, esta frase carece de sentido, ya que sabemos que dos átomos separados están rodeados por electrones diferentes. Sin embargo, el físico Richard Feynman, padre de la electrodinámica cuántica en 1949, pronunció estas palabras en su discurso Nobel de 1965; relató cómo su director de tesis, John Wheeler, le deslumbró con esta idea en 1940: el campo cuántico del electrón es único.

Todos los electrones son excitaciones localizadas de dicho campo electrón que se propagan en él como si fueran ondas —los diagramas de Feynman muestran partículas en interacción, pero a la hora de realizar cálculos representan propagadores de ondas—. Por ello, todos los electrones en el mismo nivel de energía de átomos diferentes son idénticos e indistinguibles entre sí. El campo cuántico es el objeto fundamental de la realidad física, un objeto que no está localizado en una cierta región del espacio, como lo están las partículas, sino que está distribuido por todo el espaciotiempo del universo.

Sigue leyendo en «Campos muy cuánticos», MUY, 18 dic 2023.

El vacío lleno de cuántica: «¿Está el vacío realmente vacío? ¿Y si te dijéramos que el vacío está lleno?»

El vacío cuántico es una sustancia. Esta frase que parece un oxímoron fue popularizada por el físico español Álvaro de Rújula (CERN) y resume el resultado más revolucionario de la mecánica cuántica relativista (la teoría cuántica de campos). Los campos cuánticos tienen dos tipos de estados, vacío y partículas. El vacío es un estado del campo sin partículas que rellena todo el espacio; de hecho, el campo cuántico es un «campo» gracias a su estado de vacío.

Las partículas (y las antipartículas) son estados del campo alrededor de un vacío que se comportan como ondas localizadas que se propagan por el espacio. Un campo puede tener varios vacíos y varios tipos de partículas en cada uno de estos vacíos, diferentes en sus masas y sus cargas. Para entenderlo hay que usar matemáticas: el campo de una partícula con masa se describe con una ecuación de ondas con un término de masa determinado por la energía potencial del campo; los estados de vacío son los extremos (mínimos o máximos) del potencial; en cada mínimo tenemos un vacío estable con estados de tipo partícula cuya masa depende de la curvatura del potencial en dicho mínimo (que puede ser diferente en mínimos diferentes) —en los máximos el vacío es inestable y no hay estados de tipo partícula, pues serían taquiones, partículas que se moverían más rápido que la velocidad de la luz en el vacío—.

De Rújula popularizó su frase en charlas sobre la física del bosón de Higgs. En el modelo estándar de la física de partículas todos los campos tienen un único vacío, salvo el campo de Higgs que tiene dos vacíos. A alta energía tiene un vacío con energía cero y cuatro partículas, el bosón de Higgs escalar H⁰, un bosón de Higgs pseudoescalar h⁰ y dos bosones de Higgs cargados H⁺ y H⁻. Este vacío existió cuando el universo tenía menos de una billonésima de segundo; pero tras la transición de fase electrodébil el campo de Higgs cambió a su segundo estado de vacío, el actual, con una energía de 246,22 GeV (que equivale a la masa de 262 protones). En este segundo vacío, el campo de Higgs solo tiene una partícula, el bosón de Higgs H⁰, con una masa de 125.3 GeV/c², cuyo descubrimiento fue anunciado en el año 2012; las otras tres componentes del campo de Higgs se excitan como componentes longitudinales de los bosones vectoriales débiles W⁺, W⁻ y Z⁰, dotándolos de masa.

Sigue leyendo en «El vacío lleno de cuántica», MUY, 23 dic 2023.



45 Comentarios

  1. «no sabemos qué es la realidad verdadera»

    Esa afirmación no puede ser correcta, porque sabemos, por ejemplo, que «las galaxias» existen, es decir, sabemos que las galaxias forman parte de la «realidad verdadera». En consecuencia, sí que sabemos, en parte, qué es la «realidad verdadera» y gracias al trabajo de los científicos nuestro conocimiento de ella aumenta constantemente.

    1. De hecho no Rawandi, se entiende como «realidad física» el régimen de la realidad al que podemos acceder mediante lógica formal. La «realidad verdadera» que comenta Francis es la realidad al margen de nuestras capacidades, la realidad sin haber medido nada, realidad pura si prefieres.

      1. Pues ya puestos, ni lo uno ni lo otro. La única realidad que podemos acceder mediante la lógica formal es el conjunto de las proposiciones de la lógica formal. Verdadero es un adjetivo que solo es aplicable a proposiciones con valor veritativo, ya sean de la lógica formal, las matemáticas o el lenguaje ordinario, no a la realidad. Un gato puede ser real, no verdadero. La realidad física es lo que construimos con teorías, experimentos y observaciones físicas y no es la misma realidad que construimos con teorías experimentos y observaciones de otras ciencias. La realidad al margen de nuestras categorías es lo Kant llamaba noúmeno y no sirve para nada.

        1. «La realidad física es lo que construimos con teorías»

          No, esa afirmación es antirrealista y por tanto anticientífica. La realidad física es la parte de la «realidad verdadera» explicada mediante teorías físicas asentadas, pero no es algo que los humanos «construyamos». Los humanos no hemos construido la Luna, por ejemplo. La Luna es un objeto material que ya existía mucho antes de que ningún ser pensante se pusiera a teorizar sobre ella.

          1. «esa afirmación es antirrealista y por tanto anticientífica.»

            Esa insistencia en expulsar de la mesa las corrientes con las que uno no comulga es de hooligan. Muy habitual en los bungeanos y otros defensores de la «filosofía científica». El realismo es solo un conjunto dentro de interpretaciones de las teorías científicas. Las antirrealistas (pragmatistas, instrumentalistas, constructivistas…), sentadas al fondo, han pedido otra ronda. De momento, parece que se quedan.

          2. Masgüel, está muy feo que tildes de «hooligan» a quien simplemente sostiene un punto de vista opuesto al tuyo. Ten un poco de educación, por favor.

            En el siglo XVII, el inquisidor Belarmino (ese sí que era un hooligan) obligó a Galileo a hacer una interpretación antirrealista de la teoría copernicana, cuando la interpretación que Galileo quería defender era la realista. Afortunadamente ya no estamos en el siglo XVII.

          3. Mea culpa. Y también por meterte en el saco de los bungeanos si tampoco te simpatizan. Ultimamente Bunge y Romero tienen predicamento entre la muchachada filosófica hispanohablante y resulta más que cansina su insistencia en que todo lo que no sea su «filosofía científica» es flatus vocis. Cuando afirmas que las interpretaciones antirrealistas de las teorías son anticientíficas coincides con ellos en su pretensión de excluir corrientes del debate. Hace un par de años Carlos Madrid les dió un buen repaso (https://www.youtube.com/watch?v=n9xjt0lGt6U), aunque lo hizo desde el sistema de Bueno, que también hay que cogerlo con pinzas.

      2. «La «realidad verdadera» que comenta Francis es la realidad al margen de nuestras capacidades, la realidad sin haber medido nada»

        No tiene ningún sentido llamar «realidad verdadera» exclusivamente a la parte de la realidad que no conocemos. Lo cierto es que conocemos una parte de la realidad y dicha parte es tan «realidad verdadera» como la parte que no conocemos.

        1. Rawandi, nadie llamó realidad verdadera a la parte de la realidad que no conocemos, realidad verdadera es toda la realidad, de la realidad verdadera tienes acceso a la «realidad física».

          Un constructo que puedes realizar mediante formalismos y postulados para el que además existe un experimento-observación que lo confirma, véase un agujero negro, es una «verdad física» (si no te gusta el nombre puedes llamarlo de cualquier otra manera). Entonces el conjunto de todas las verdades físicas es la realidad física, por definición.

          Una teoría del todo es una teoría para la que «realidad física»=»realidad verdadera». Nuestras teorías no son teoría del todo, por tanto, no son igual a la realidad verdadera sino a una pequeña parte de la misma. Cabe preguntarse si una teoría del todo tal y como la entendemos seguiría siendo nada más una parte de la realidad verdadera, la parte más amplia posible pero no toda. Sin ir más lejos la cuántica debería explicar toda la realidad (eso se esperaba por ser los ladrillos fundamentales) pero debido a los problemas de reconciliación no lo hace, la cuántica queda restringida al régimen de las partículas todavía siendo parte de la realidad física, pero una pequeña parte de la realidad verdadera.

          1. «Rawandi, nadie llamó realidad verdadera a la parte de la realidad que no conocemos»

            Tú mismo lo hiciste en la frase que cité antes. Dijiste lo siguiente: «La «realidad verdadera» que comenta Francis es la realidad al margen de nuestras capacidades, la realidad sin haber medido nada». Obviamente, «sin haber medido» u observado «nada», ninguna realidad puede ser conocida. Por tanto, lo que haces en tu frase es precisamente llamar «realidad verdadera» a la «realidad que no conocemos».

    2. ¿Qué significa que algo sea verdadero? En sentido fáctico (físico), verdadero significa que la realidad se corresponde con las ideas que tenemos de ella. ¿Hay alguna forma de determinar que algo se corresponde plenamente con la realidad? No, no la hay y, por tanto, no podemos conocer la realidad verdadera.

      1. Jaime, las galaxias forman parte de la «realidad verdadera», ¿no?. En consecuencia, tienes que admitir que sabemos, en parte, qué es la «realidad verdadera». El conocimiento «no pleno» también es conocimiento.

        1. No, no tenemos forma de determinar si la idea que tenemos de las galaxias se corresponde o no plenamente con la realidad verdadera.

          Y sí, el conocimiento no pleno es también conocimiento; pero no es conocimiento verdadero.

      1. Me sorprende mucho que me hagas esas preguntas. Espero que no estés pensando en abandonar la ciencia por la filosofía Vedanta o cualquier otra rama del pensamiento mágico.

        Mi respuesta a tus tres preguntas es afirmativa, y además con un grado de certeza elevadísimo. La existencia de las galaxias está tan autentificada que ni siquiera los fundamentalistas religiosos dudan de ella. La existencia de tu persona está de sobra verificada con los videos de tus conferencias y tus intervenciones en la radio. Y en cuanto a mi propia existencia, bueno, la confirmo directamente todos los días porque soy testigo presencial de ella.

        1. Hablas de la existencia de algo Rawandi pero deberías primero definir existir, dices «la existencia de las galaxias está autentificada», ¿qué entiendes por existir y qué entiendes por galaxia?

          Ahora tu constetación hará referencia a la realidad física, dirás que una galaxia es una cierta descripción física con ciertas propiedades, etc, y definirás «existir» de la misma manera. Simplemente estás asignando una descripción física y formal a partes de la realidad. Es obvio que la frase «no tenemos acceso a la realidad (sin adjetivos)» es incorrecta, no habría realidad física que construir der ser así, tenemos acceso limitado.

          Mezclas «realidad física» con «realidad» y es tan incorrecto como mezclar «niño rubio» con «niño», no son lo mismo.

  2. Rawandi, mi mensaje está perfectamente escrito, en ningún momento dije que la realidad verdadera es lo que no conocemos, pone claramente que es toda la realidad al margen de cualquier descripción. Obviamente hay parte accesible y parte inaccesible.

    Describir un objeto como «galaxia» es hacerlo formar parte de la realidad física, no de la realidad verdadera. De la realidad verdadera extraemos información para decir «mira, esto es una galaxia».

    Saludos Jaime, al nombrar «verdad física» no hace falta pelear con la palabra «verdad», el objeto en cuestión es , luego podemos llamarlo «verdad física» o Antonio, es indiferente. La realidad física es el conjunto de todo lo que podemos conocer experimental, observacional y formalmente, el conjunto de todas las verdades físicas (todos los Antonios)

    1. Yo diferencio dos tipos de verdad: la verdad fáctica y la verdad lógica. La verdad fáctica es, como ya mencioné, la correspondencia entre la realidad y las ideas que tenemos de ella. En cuanto a la verdad lógica, una proposición es lógicamente verdadera en un determinado sistema lógico si, siguiendo las reglas del sistema, es posible deducirla de sus postulados.

      1. Entiendo Jaime, ¿consideras que existen verdades fácticas que pueden ser además verdades lógicas?, la verdad que cumple ambas definiciones es lo que denominé «verdad física».

        1. No, de la forma en que las definí, no veo cómo una verdad fáctica puede ser, a la vez, una verdad lógica. Y no lo veo porque considero que, en estricto sentido, la verdad fáctica es prácticamente imposible de establecer. O sea, contrario a las verdades lógicas, las verdades fácticas no se pueden verificar; solo se pueden falsar.

          1. Según esas deficiones, ¿dirías que la curvatura del espacio-tiempo es una verdadera lógica o fáctica?

            La curvatura del ET se desprende de los postulados de RG, además existen experimentos y observaciones que lo confirman, llamaría a eso verdad física pero no tengo claro si es fáctica o lógica. Tiene parte de ambas.

          2. «las proposiciones fácticas no se pueden verificar»

            ¡Cuánto daño ha hecho la filosofía irracionalista de Popper! No te tragues las milongas popperianas, hombre.

            Las proposiciones fácticas sí se pueden verificar y de hecho se verifican constantemente. Por ejemplo, le acabo de decir a Francis que su propia existencia está de sobra verificada mediante los videos de sus conferencias y sus intervenciones en la radio. No hace falta más.

          3. P, es una verdad lógica porque se desprende de los postulados. No es una verdad fáctica porque no hay forma de confirmar que la realidad se comporta exactamente como lo hace, por ejemplo, la relatividad general.

          4. Sí, Rawandi, en el ámbito cotidiano y hasta práctico sí es posible la verificación de proposiciones fácticas; pero, en realidad, no se trata de una verdadera verificación, sino de una razonable aproximación. Por otra parte, en el ámbito epistemológico o científico no hay forma de determinar que algún aspecto de la realidad se corresponde plenamente con la idea que tenemos de él.

  3. Perdón a todos por el oxímoron «realidad verdadera» tendría que haber usado «realidad» a secas en su contraste con «realidad física». Lo que conocemos de la «realidad», como las galaxias, tú y yo somos partes de la «realidad física», que los físicos asumimos que también deberían formar parte de la «realidad» (aunque sea imposible recabar pruebas y conocimiento de ello).

    1. Un «oxímoron» requiere combinar dos significados opuestos. Dado que «realidad» y «verdad» son sinónimos, a mí me parece imposible que la expresión «realidad verdadera» constituya un oxímoron.

      1. Como ya indiqué, para mí, la verdad (fáctiva) es la correspondencia entre la realidad y las ideas que tenemos de ella. ¿Qué entiendes tú por verdad?

        1. Añado las definiciones de la rae para hablar todos el mismo idioma.

          Verdad-
          1.Conformidad de las cosas con el concepto que de ellas forma la mente.
          2.Conformidad de lo que se dice con lo que se siente o se piensa.

          Realidad- 1.Existencia real y efectiva de algo.
          2.Verdad, lo que ocurre verdaderamente.

          Existir-
          1.Dicho de una cosa: Ser real y verdadera.
          2.Tener vida.

          -Algo «existe» si tiene existencia real y efectiva conforme al concepto que formamos en la mente sobre ese algo.
          -Algo «no existe» si no tiene una existencia real y efectiva conforme al concepto que formamos en la mente sobre ese algo.
          – ¿Algo que tiene una existencia real y efectiva pero no conforme al concepto….existe o no existe? y viceversa.

          1. «Añado las definiciones de la rae para hablar todos el mismo idioma.»

            No es el sitio. No es el tema. Yo me bajo aquí. Pero en discusiones filosóficas, acudir a la RAE es un pedo en el ascensor. No valen para nada. Cada disciplina tiene sus diccionarios. Como mínimo, consulta el Ferrater Mora o la Stanford.

          2. Masgüel, es respetable tu opinión, entonces tu manera de debatir prescinde de compartir y poner definiciones en común, decir perro pero interpretar gato y que otra persona interprete cebra, etc. Personalmente prefiero otras vías.

            Define verdad, realidad y existir, si me gustan tus definiciones igual las tomo.

          3. «No es el sitio. No es el tema.»

            Esa insistencia en expulsar de la mesa a quienes no comulgan con uno es de gamberros.

      2. Rawandi, el oxímoron al que me refiero es que la «realidad» existe, por definición de realidad, pero es bien sabido que la «verdad» no existe, por definición de verdad, luego «realidad verdadera» combina algo que existe con algo que no existe. Obviamente, si supones que la «verdad» existe, entonces no hay ningún oxímoron.

    2. Mientras no aparezcan discrepancias «no amables», que diría Socas, siempre hay esperanza…,es decir, mientras las discrepancias entre observadores sea tal que el modelo de la realidad que manejan puede predecir también en lo que discrepará cualquier otro observador (p.e. RG o RE) y el motivo, siempre podremos suponer un realismo aunque nunca haya forma de llegar a él, pero el día que descubramos una teoría completa e empíricamente demostrada que no pueda predecir las discrepancias… habrá que dedicarse al arte.

      1. Pedro, para la mayoría de los físicos la Física estudia la realidad, por definición, luego es imposible que un físico conciba que la «realidad física» no sea la «realidad». Sin embargo, para un filósofo no hay ninguna dificultad; como tampoco la hay para un metafísico.

  4. Me parece la mejor solución al problema Francis, utilizar «verdadera» o «verdad» permite divagar innecesariamente, son términos con demasiadas connotaciones filosóficas. Lo más sencillo es hablar de la realidad sin adjetivos aunque pueda llevar a una crítica de la realidad pura, para una conversación informal basta.

  5. Nada que perdonar. Todos derrapamos con las palabras. Y mucho que agradecer. Ese especial del las navidades pasadas (que conseguí gracias a dos mulas, la que firma y la red de intercambio de archivos) es una maravilla. Espero impaciente el que anuncias.

  6. Cuan cierto es que la misión última de la filosofía es crear el caos, para sacudirnos el polvo y cuestionarnos las cosas…pero qué lástima que no solucione nada…

    1. Muy ilustrativo el artículo!!
      Interesante que la interpretacion moderna de las «particulas » virtuales sea mas como ondas de probabilidad.
      Un fuerte campo electrico puede «condensar» esas particulas virtuales en reales? Parece que un condensador con dielectrico de vacio terminaria descargandose.
      Gracias Francis.

      1. Sí, Alejol9, el llamado efecto de Schwinger (1951), aunque fue predicho por Sauter (1931) y estudiado por Heisenberg (1936). Pero se requieren campos eléctricos muy intensos (con energía superior al doble de la masa del electrón), luego no afecta a los condensadores.

        1. Hola Francis! No parece mucha energia, un par electron positron equivale a una energia de algo mas de un megaelectron volt, y eso es unos 1,6 E-13 Joules. Posiblemente muchos.otros efectos sean de ordenes de magnitud mayor en lo referido a la descarga de los.condensadores que se usan en electrónica, pero tal.vez el.efecto sea medible en condiciones controladas.

          1. Cuidado, Alejol9, te parece poco porque piensas en un objeto macroscópico. De hecho, el efecto Schwinger aún no ha sido observado en experimentos (se ha intentado observar con todos los láseres más potentes del mundo, pero hasta ahora no se ha logrado; todo apunta a que el próximo podría lograrlo).

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