Cuando, a finales del siglo XIX, un joven Max Planck expresó ante un profesor de física su deseo de dedicarse a la disciplina, recibió la respuesta de que ya no quedaban grandes cosas por aprender: a lo más a lo que podía aspirar un físico en aquella época era a clarificar algunos detalles menores. Sin embargo, Planck no se dejó amedrentar. Pocos años después, sus investigaciones daban el pistoletazo de salida a la mecánica cuántica y, con ello, contribuyeron a cambiar para siempre la imagen del mundo.

Hoy es un hecho indiscutible que a la física le queda un largo camino por recorrer. De hecho, cuanto más conocimiento acumulan los físicos mayores parecen ser los misterios a los que se enfrentan. A continuación presentamos nuestros diez rompecabezas favoritos de la física actual.

10 Rayos cósmicos ultraenergéticos

Desde el espacio exterior llegan a la Tierra innumerables partículas. Aunque este fenómeno se conoce desde hace tiempo, hay algunas de ellas cuya energía desafía toda proporción. En 1991, un experimento en Utah detectó las huellas de la que más tarde pasaría a conocerse como «partícula OMG», por las iniciales de la expresión inglesa Oh my God! («¡Oh, Dios mío!»): una partícula con una energía de 320 exaelectronvoltios (320 × 1018 eV), la misma que tendría una pelota de tenis rápida. Por fortuna, tales partículas aparecen con muy poca frecuencia y, cuando llegan a nuestro planeta, se ven frenadas por la atmósfera.

Se cree que los rayos cósmicos habituales (con energías miles de millones de veces menores) se generan en remanentes de supernova, explosiones estelares y otros fenómenos astrofísicos violentos. Los de mayor energía, sin embargo, procederían de aceleradores de escala galáctica aún sin identificar. Hace unos años, un estudio halló que estas partículas ultrarrápidas parecían provenir de una zona concreta del cielo en la que, sin embargo, no parecía haber ninguna fuente identificable. Hoy por hoy, el misterio de las partículas más veloces del cosmos sigue abierto.

9 Superconductores de alta temperatura

Los superconductores de alta temperatura vienen ocupando a los físicos desde hace más de 30 años. Al igual que los superconductores tradicionales, estos materiales transportan la electricidad sin oponer resistencia. Sin embargo, lo hacen a temperaturas a las que, en principio, este fenómeno no debería darse.

Cuando la corriente eléctrica fluye a través de nuestros cables, parte de la energía siempre se pierde. Eso no ocurre en los materiales superconductores, los cuales pueden conducir la electricidad sin ofrecer resistencia siempre que se enfríen a temperaturas cercanas al cero absoluto. En tal caso el principio subyacente se entiende bien: el fenómeno se basa en la formación de pares de electrones, conocidos como «pares de Cooper», los cuales se generan a temperaturas muy bajas y permiten que la electricidad circule sin pérdidas. En cambio, en los superconductores de alta temperatura, el mecanismo responsable sigue sin identificar.

Hoy por hoy, el uso de estos materiales es limitado. El término «alta temperatura» es relativo, ya que hace referencia a temperaturas mucho mayores que aquellas a las que suele aparecer el fenómeno, pero que en cualquier caso siguen siendo muy bajas (del orden de 140 grados bajo cero). Aún así, entender la superconductividad de alta temperatura podría abrir la puerta a nuevas aplicaciones y, bajo ciertas condiciones especiales, tal vez proporcionar una alternativa a los conductores tradicionales.

8 Agujeros negros

Los agujeros negros pueden describirse como pozos oscuros que tragan para siempre todo lo que cae en ellos. Hace tiempo que los astrónomos cuentan con indicios claros de su existencia. Sin embargo, su descripción última en términos físicos sigue siendo todo un misterio.

Estos astros se forman cuando una estrella mucho más masiva que el Sol agota su combustible y colapsa sobre sí misma por efecto de su propio peso. Según la teoría de la relatividad general de Einstein, los agujeros negros deforman la geometría del espacio circundante hasta tal punto que nada de lo que entre en ellos podrá salir jamás. Pero este fenómeno constituye el origen de un serio problema. Según la mecánica cuántica la información de un sistema físico no puede perderse nunca. Esto quiere decir que, al menos en principio, siempre debería ser posible reconstruir la configuración pasada de un sistema de partículas a partir de su estado presente. Sin embargo, ¿qué sucede si las partículas y toda su información desaparecen para siempre?

Dicha paradoja ha llevado a algunos físicos a poner en duda la existencia de los agujeros negros, así como a argumentar que sus propiedades podrían ser muy distintas de las que predice la relatividad general. Por su parte, otros han intentado resolver la cuestión apelando a las propiedades cuánticas del espaciotiempo. Las ideas al respecto abundan. Sea como fuere, el problema es considerado desde hace décadas como uno de los más arduos a los que se enfrenta la física teórica.

7 Turbulencia

La turbulencia —el fenómeno responsable de la aparición de remolinos o tornados en gases y líquidos, por ejemplo— ha demostrado ser un hueso increíblemente duro de roer. Hace décadas que los físicos intentan modelizarla, hasta ahora sin demasiado éxito. Esa dificultad teórica choca con lo cotidiano del fenómeno: la turbulencia aparece cuando sopla el viento, hervimos agua o removemos la leche del café, entre otros muchos ejemplos.

La turbulencia pertenece a la clase de fenómenos conocidos como «no lineales», entre los cuales también se incluyen los fenómenos caóticos. Los sistemas de este tipo son extremadamente sensibles a los cambios en las condiciones iniciales, en el sentido de que una pequeña alteración en el estado del sistema puede modificar por completo su evolución posterior. Entre otras razones, esta propiedad hace que resulte imposible predecir el comportamiento a largo plazo de un fluido turbulento.

Con todo, los físicos siguen buscando con ahínco leyes universales que permitan describir la turbulencia. Una descripción general podría aplicarse en una infinidad de áreas: desde el pronóstico del tiempo meteorológico hasta la minimización de la resistencia aerodinámica o fenómenos mucho más exóticos, como la formación de galaxias.

6 La incógnita de la gravedad

Sin la gravedad nuestro universo no existiría. Sus efectos resultan obvios: se trata de la fuerza que nos mantiene pegados a la Tierra, la que hace que los planetas giren alrededor del Sol y la que cohesiona las galaxias. Sin embargo, los mecanismos que subyacen a esta interacción fundamental siguen siendo un misterio.

En el siglo XVII, Isaac Newton estableció que dos masas cualesquiera se atraían entre sí por medio de una fuerza que aparecía entre ellas. Sin embargo, a principios del siglo pasado Einstein demostró que se trataba de un fenómeno mucho más complejo: según la teoría de la relatividad general, la materia y la energía deforman la geometría del espacio y el tiempo, y ello afecta a la manera en que se mueven los cuerpos cercanos. Una de las predicciones de la teoría de Einstein es la existencia de ondas gravitacionales: deformaciones del espaciotiempo generadas por grandes masas en movimiento y que se propagan a la velocidad de la luz. Hace unos años, y tras varias décadas de búsqueda, el experimento estadounidense LIGO fue capaz de detectarlas por primera vez.

Sin embargo, al contrario de lo que ocurre con las otras tres fuerzas fundamentales de la naturaleza, los físicos aún no han logrado detectar el gravitón, la hipotética partícula cuántica responsable de transmitir la interacción gravitatoria. El hecho de que la gravedad sea muchos órdenes de magnitud más débil que las demás interacciones de la naturaleza hace que dicha partícula sea prácticamente imposible de detectar. Otro gran misterio de la gravedad es precisamente ese: por qué su intensidad es tan débil comparada con las de las demás fuerzas fundamentales. Con tantas preguntas y tan pocas respuestas, la gravedad sigue siendo uno de los mayores rompecabezas de la física contemporánea.

5 ¿Tiene el universo más dimensiones?

El espacio ordinario tiene tres dimensiones: arriba-abajo, adelante-atrás e izquierda-derecha. Sin embargo, nada impide que tenga más. La teoría de cuerdas, por ejemplo, predice un espaciotiempo de diez dimensiones: nueve más el tiempo, algo imposible de visualizar pero perfectamente posible desde el punto de vista matemático. De hecho, la idea de que el universo podría tener más dimensiones de las que podemos ver no es nueva, sino que se remonta a los años veinte del siglo pasado.

Pero, en caso de existir, ¿cómo serían esas dimensiones adicionales y por qué no las percibimos? La respuesta habitual es que se trataría de dimensiones microscópicas, solo aparentes a escalas mucho menores de las que podemos resolver en la actualidad con nuestros mejores experimentos. Otras posibilidades implican dar cobijo a otros universos. Hasta ahora, sin embargo, ni los grandes aceleradores de partículas ni los experimentos de otro tipo han logrado obtener indicios de dimensiones suplementarias.

4 Materia y energía oscuras

Los cuerpos celestes que nos son familiares no constituyen más que una pequeña fracción de todo lo que existe. Según todas las observaciones y modelos, la radiación y la materia que conocemos (la luz y los átomos que componen los planetas, las estrellas y todo lo demás que podemos ver) apenas darían cuenta del 5 por ciento del contenido energético total del universo. El resto se compone de dos agentes de naturaleza desconocida, conocidos como materia oscura y energía oscura.

Tal suposición se apoya en observaciones astronómicas. Por ejemplo, la velocidad a la que giran las estrellas en las galaxias debería hacer que estas se disgregasen, algo que sin embargo no ocurre. Para explicarlo, los físicos postulan que las galaxias se hallan inmersas en ingentes nubes formadas por algún tipo de materia invisible. Hasta hoy, sin embargo, nadie sabe de qué se compone esta «materia oscura», la cual daría cuenta del 25 por ciento de toda la energía presente en el cosmos. La hipótesis más habitual postula que se halla formada por partículas elementales que no absorben ni emiten luz, si bien hasta ahora ningún experimento ha sido capaz de detectarlas.

Pero el misterio no acaba ahí. La mayor parte de la energía del cosmos corresponde a la energía oscura, el misterioso agente al que los físicos achacan la expansión acelerada del universo. La energía oscura contrarrestaría la fuerza de la gravedad (la cual tendería a frenar la expansión cósmica) y, según todos los cálculos, sería responsable del 70 por ciento de toda la energía presente en el universo actual.

3 Una teoría unificada

Numerosos físicos, Einstein incluido, han soñado con la posibilidad de formular una teoría a partir de la cual pudieran derivarse todas las leyes de la naturaleza. Y aunque hasta ahora todos los intentos al respecto han sido infructuosos, no pocos investigadores se hallan convencidos de que semejante teoría final debería existir.

Un gran paso en esta dirección procede de las llamadas «teorías de gran unificación» (GUT, por sus siglas en inglés), las cuales han proporcionado modelos que aspiran a describir con unas mismas reglas básicas tres de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza: la electromagnética, la nuclear débil (responsable de las desintegraciones radiactivas) y la nuclear fuerte (encargada de mantener unidos los núcleos de los átomos). Dado que estas tres interacciones presentan una descripción matemática similar, muchos físicos creen probable que puedan derivarse a partir de una sola teoría.

Sin embargo, una verdadera «teoría del todo» debería explicar también la gravedad. Hoy por hoy la candidata más popular es la teoría de cuerdas, así como una hipotética generalización suya conocida como teoría M. En cuanto a una explicación cuántica de la gravedad, una alternativa a la teoría de cuerdas es la gravedad cuántica de bucles. No obstante, todos los intentos efectuados hasta ahora siguen enfrentándose a grandes problemas tanto teóricos como experimentales. De hecho, bien podría ocurrir que una teoría de tales características no existiese.

2 La descripción cuántica de la realidad

Bajo ciertas condiciones, las partículas cuánticas parecen estar conectadas entre sí aunque se hallen separadas por grandes distancias. Este fenómeno, conocido como entrelazamiento, fue calificado famosamente por Einstein como «acción fantasmal a distancia». Cuando dos partículas están entrelazadas, las mediciones efectuadas sobre una de ellas permiten predecir las propiedades de su compañera, por más que esta se encuentre muy lejos y una y otra ya no puedan interaccionar. Por otro lado, las partículas cuánticas no parecen tener propiedades bien definidas hasta que estas no se miden en un experimento: con anterioridad a una medición, un sistema cuántico solo se deja describir en términos de probabilidades.

Por extrañas que puedan parecer, tales propiedades han sido verificadas una y otra vez en todo tipo de experimentos. Sin embargo, no existe un consenso claro sobre qué noción de realidad física subyace a tales fenómenos. ¿Depende la realidad de la manera en que la investigamos? ¿Existen otros universos en los que se materializan las distintas probabilidades cuánticas? ¿Es correcta la interpretación habitual de la función de onda? Sea como fuere, la mecánica cuántica parece apuntar a los límites de nuestro entendimiento: en su nivel fundamental, el universo parece tener una estructura completamente distinta de la que nos indica nuestra experiencia cotidiana.

1 El principio y el final del cosmos

¿Cómo empezó todo? ¿Cómo terminará? ¿Existen el principio y el fin? Los filósofos no son los únicos que se ocupan de tales cuestiones. Para muchos investigadores, tanto el pasado como el futuro del universo son los misterios más elementales de la física. La teoría de la gran explosión apunta a que todo —materia, energía, espacio y tiempo— se habría originado a partir de un estado de densidad infinita conocido como «singularidad». Sin embargo hasta ahora nadie ha encontrado una descripción física satisfactoria de ese supuesto estado inicial o de la primera fracción de segundo tras la gran explosión.

En lo que respecta al destino del universo, las respuestas disponibles no son mucho mejores. Una cosa es cierta: en estos momentos el cosmos se está expandiendo a una velocidad cada vez mayor. Puede que nunca se detenga, pero también podría evolucionar hacia un estado final estacionario o incluso revertir su dinámica actual y acabar en una «gran implosión», tras lo cual todo podría volver a comenzar de nuevo. De ser el caso, ello podría responder a la pregunta de qué hubo antes de la gran explosión.

Fuente: investigacionyciencia.es