Catàleg Charles Messier. Objecte M68

Clic per engrandir. Aquesta imatge del Hubble del nucli de M68 es va crear utilitzant
observacions en longituds d'ona de llum visible i infraroja. Crèdit Hubble. NASA/ESA

Descobert el 1780 per Charles Messier.

Aquest cúmul globular de magnitud 7,8 es troba a una distància d'uns 33.000 anys llum, i els seus components estan escampats per un volum d'uns 106 anys llum de diàmetre. Té com a mínim 42 estrelles variables conegudes. Harlow Shapley ja ha descobert 28 d'aquestes anomenades "Variables de clúster" (estrelles RR Lyrae), una de les quals (la núm 27) s'ha demostrat posteriorment que no era membre del cúmul globular (Greenstein, Bidelman i Popper, 1947). Shapley va donar també l'excentricitat d'aquest cúmul com 9 el 1930, mentre que el 1949 el va descriure com rodó, tenint en compte les seves 2.000 estrelles més brillants. En els telescopis d'aficionats es mostra avui en dia com rodó, encara que alguns observadors (incloent a John Malles) el perceben com oval.

Els anteriors catàlegs oferien sistemàticament menors magnituds visuals, probablement perquè aquest cúmul globular de sud estava sent examinat per observadors de nord: Helen Sawyer Hogg li dóna una magnitud de 9,12, Malles/Kreimer donen 8, Becvar, Kenneth Glyn Jones i el Sky Catalogue 2000, una magnitud de 8,2. La nova Deep Sky Field Guide to Uranometria 2000 dóna una magnitud de 7,7, i en la seva segona edició, una brillantor visual aparent total de 7,3.

Segons Kenneth Glyn Jones, M68 conté unes 250 estrelles gegants de magnitud absoluta superior a 0, al voltant de la meitat de M3 o de M13. La seva estrella més brillant és de magnitud 12,6, mentre que el nivell de la branca horitzontal d'aquest cúmul globular és de magnitud 15,6, segons el Deep Sky Field Guide to Uranometria 2.000,0. Helen Sawyer Hogg ha trobat 25 estrelles més brillants que la magnitud 14,8, i cataloga el seu tipus espectral de conjunt com A6.

Les mesures temporals de M68 han variat: la primera determinació de Shapley va ser de 50.000 anys llum (15,5 kpc), mentre que Becvar dóna 37.500 anys llum (11,5 kpc), la mesura de TD Kinman és de 39.000 anys llum (12,0 kpc), i McCluere et.al (1937) van obtenir 36.000 anys llum (11'2 kpc). La mesura moderna de 33.300 anys llum és de la base de dades de cúmuls globulars galàctics de William E. Harris.

M68 s'aproxima a nosaltres a 112 km/seg.

La marca propera de baix a la dreta assenyala la variable FI Hydrae de tipus Mira, que no és membre del cúmul globular, que té un període d'uns 324 dies i pot arribar a ser fins de magnitud 9, de manera que l'aparença de camp varia considerablement.

M68 va ser descobert per Charles Messier el 9 d'abril de 1780. A causa d'algun error dubtós, Admiral Smyth va assignar el descobriment a Pierre Méchain, i, en els anys 60 de segle XX, Kenneth Glyn Jones va fer seva aquesta opinió, tot i el fet que això no és reconegut per Messier en la descripció del seu catàleg, com sí ho va fer de tots els veritables descobriments de Méchain. El descobriment és correctament atribuït a Messier, per exemple, pel NGC de Dreyer, per Helen B. Sawyer [Hogg] (1947) i per Burnham. Com la majoria dels cúmuls globulars de Messier, va ser descompost en estrelles per primera vegada per William Herschel en 1786.

Messier esmenta un estel de magnitud 6 en la seva descripció de M68, que actualment és un estel doble de magnitud 5,4: ADS 8612 (també catalogada com B320), A: mag. 5,4, B: mag. 12,2 en PA 152 graus i separació de 1.6" (en 1926).

Clic per engrandir. Crèdit: Google-SkyMap

M68 és bastant difícil de veure per als observadors de l'hemisferi nord a causa de la seva declinació austral. El poden trobar seguint una línia des de les estrelles Delta a Beta Corvi (de magnitud 3), que apunta cap ADS 8612, de magnitud 5,4, esmentada més amunt. Es localitza així fàcilment a M68 a uns 45 'a al NE d'aquest estel.

És un pegat feble amb binocles, les estrelles més brillants de M68 són percebudes per telescopis a partir de 4 polzades d'obertura i en bones condicions; aquests instruments mostren una taca nebulosa rodona i clapada amb un centre brillant que s'esvaeix gradualment cap a les seves vores. Un instrument de 6 polzades recull les parts exteriors d'aquest cúmul globular, un halo de 12' de diàmetre. Els telescopis majors mostren la seva naturalesa com un cúmul globular molt dens fins el seu nucli.

M68 al web del SEDS

Índex del Catàleg Messier del blog

Les estrelles "Rínxols d'or" són els millors llocs per buscar la vida

Clic per engrandir.

A la nostra galàxia hi ha moltes estrelles. Sense ni tan sols esmentar l’univers íntegrament. Probablement també hi ha un nombre inimaginable de planetes que giren al seu voltant. Així doncs, en la nostra recerca de la vida, haurem de triar. I els investigadors d'avui creuen que els esforços s'han de concentrar en els que anomenen les estrelles "Rínxols d'or".

El principi “Rínxols d'or” s’aplica en moltes disciplines, sobretot en l’astrobiologia. De fet, els investigadors han tingut l’hàbit d’anomenar la zona “Rínxols d'or”, les zones habitables de les estrelles. Els planetes d’aquestes zones no estan ni massa lluny ni molt a prop de la seva estrella. L’aigua líquida pot mantenir-ser a la seva superfície. I així podrien, a priori, aixoplugar la vida.

Perquè Rínxols d'or?, Per què recorda al conte de la petita amb els cabells arrissats, quan descobreix els bols dels tres óssos. Bols de diferents mides, farcits de farinetes a diferents temperatures. La història de Rínxols d'or està destinada a desafiar-nos pel que fa a la idea de quantitat justa i qualitat justa.

I avui, els astrònoms fins i tot pensen que hi ha estrelles Rínxols d'or. Les estrelles no són massa caloroses ni massa fredes i sobretot no massa violentes. Estrelles ideals per a l’aparició de la vida. Estrelles similars al nostre Sol ? No del tot. "Les estrelles que coneixem com a nanes tipus D - el nostre Sol entra dins de la categoria de nanes tipus G - són veritables estrelles Rínxols d'or", afirma Edward Guinan, investigador de la Universitat de Villanova (Estats Units).

Clic per engrandir. Una comparació -zona habitable, rajos X, abundància i longevitat-

imatge de les principals característiques d'alguns candidats a Rínxols d'or. Amb, al mig,
les estrelles nanes tipus K que són, segons els astrònoms de la Universitat de Villanova
(Estats Units), els millors llocs per buscar la vida. © Nasa, ESA i Z. Levy (STScI)

Complides totes les condicions
Les estrelles més càlides del tipus K -també conegudes com a nanes taronja- serien les millors estrelles al voltant de les quals cal buscar rastres de vida extraterrestre. Primer, perquè són abundants. N'hi ha tres vegades més a la Via Làctia que les estrelles de tipus Sol. N’hi ha un miler d’aquí a només 100 anys llum del nostre sistema solar.

També tenen un interès especial per als astrònoms, ja que la seva vida útil oscil·la entre els 15 i els 45 mil milions d’anys. Mentre que les estrelles tipus Sol amb expectatives de vida curtes, no més de 10 mil milions d’anys, limiten el temps durant el qual l’atmosfera pot mantenir-se estable. Abans de temps, a escala còsmica, la nostra Terra s'haurà vist veritablement engolida per la inflor de la nostra estrella moribunda.

Els camps magnètics de les estrelles nanes tipus K -els famosos Rínxols d'or- també són força pacífics. A priori al seu voltant, no hi ha fortes emissions ni explosions energètiques. Dades confirmades per investigadors de la Universitat de Villanova gràcies a imatges del telescopi espacial Hubble, l’observatori de rajos X Chandra i el satèl·lit XMM-Newton. Mentre que les estrelles nanes tipus M -també anomenades nanes vermelles i que són encara més abundants i viuen encara més temps- tenen una zona habitable situada tan a prop que els planetes que s’hi troben estan exposats a la radiació X i UV, centenars de milers de vegades més intens que la Terra. És difícil, en aquestes circumstàncies, imaginar que la vida s'hi pugui desenvolupar. 

“Kepler 442 és una estrella del tipus K5. És notable perquè refugia un planeta rocós, Kepler 442b , la massa del qual és aproximadament el doble de la de la nostra Terra. Es pot pensar raonablement que Kepler 442b és un planeta Rínxols d'or que orbita al voltant d'una estrella Rínxols d'or", conclou Edward Guinan. Potser el primer exoplaneta sobre el qual hi trobarem rastres de vida?

Ho he vist aquí.

La Teoria de Cordes: Una introducció detallada (III)

El Postulat de les Cordes

Una Teoria de Cordes

El descobriment de la Teoria de Cordes com a potencial Teoria Unificada va ser gairebé per accident. En un context no relacionat amb la unificació de forces, els investigadors dels anys 70 es van preguntar quina teoria podria ser capaç de descriure una corda quàntica fonamental -un objecte amb una extensió espacial finita, el qual no podria ser descrit en termes de constituents més bàsics. Aquest era certament un nou i interessant problema matemàtic en un context físic.

Aquesta corda estaria descrita de forma clàssica donant la situació d'un objecte estès com una línia (recta o corba) en l'espai en un moment donat. La corda podria ser tancada, com un bucle, o oberta, amb dos extrems.

Així com una partícula té una massa intrínseca, una corda tindria una tensió intrínseca. De la mateixa manera que una partícula està subjecta a les lleis de la relativitat especial, una corda també seria relativista. Finalment, s'hauria d'idear una "mecànica quàntica" de cordes en analogia amb aquestes per partícules puntuals.

La presència d'una tensió intrínseca vol dir que la Teoria de Cordes posseeix una escala de massa inherent, un paràmetre fonamental juntament amb les dimensions de la massa. Això defineix l'escala d'energia a la qual els efectes "cordistes" (efectes associats a l'oscil·lació de la corda) es farien importants.

Fins i tot sense fer càlculs, es pot predir a partir de l'experiència que una corda quàntica hauria de tenir moltes maneres d'oscil·lació espaiats infinitament de forma discreta, gairebé igual que les cordes d'un instrument musical. Totes aquestes maneres estarien localitzats efectivament en el veïnatge de la corda, i es comportarien com partícules elementals amb diferents masses relacionades amb la freqüència d'oscil·lació de les cordes. Així doncs, una sola espècie de cordes produiria moltes excitacions similars a les partícules. Podria explicar-se el zoo de partícules elementals d'aquesta forma, com sorgint d'una corda?

Els detalls haurien d'haver estat relativament senzills, però van aparèixer alguns resultats inesperats. Una corda és com una col·lecció infinita de partícules puntuals, restringides a mantenir-juntes per formen un objecte continu. D'aquesta manera té, efectivament, infinits graus de llibertat, una cosa sempre perillosa! Les matemàtiques de les cordes relativistes eren bastant senzilles al nivell de la teoria clàssica, però a l'intentar passar-les a la teoria quàntica, els investigadors van descobrir que el nombre total de dimensions espacials està fixat de forma única a 26. Per tant, les cordes quàntiques podrien existir només en un món amb 25 (en lloc de 3) dimensions espacials, més el temps. L'excitació per trobar, per primera vegada, una condició de consistència matemàtica que determina el nombre de dimensions espacials, en lloc de tractar aquest número com una entrada experimental, va ser d'alguna forma suavitzat per l'absurd valor predit per aquest número.

L'entusiasme estava bastant aigualit pel descobriment que fins i tot en 26 dimensions espacials, la corda tenia una desagradable característica addicional. El seu espectre d'excitacions similars a les partícules incloïa una partícula en la que la massa és un nombre imaginari, un "taquió", que es creia generalment que era un objecte no físic. 

No dissuadits per aquests obstacles, els teòrics van notar que la teoria comptava encara amb una altra sorpresa. Després del taquió, la següent partícula en l'espectre d'oscil·lació de la corda era una partícula amb espín 2 i sense massa. Una partícula sense massa pot propagar-se a grans distàncies, per tant la força a la qual fa de mediador és una força de llarg abast. Com hem vist, una partícula d'espín 2 que hi ha en una força de llarg abast és just l'ingredient perdut en la nostra recerca de la descripció fonamental de la natura: el gravitó. Vam aprendre que els intents previs per incorporar el gravitó van fallar per raons tècniques associades a la Teoria de Camps Quàntics. Era la Teoria de Cordes prou potent com per superar aquests obstacles?

Aquí apareix el principal avanç a causa del que la Teoria de Cordes s'ha convertit en una cosa tan important com ho és avui. La naturalesa de les cordes -que tenen extensió i no són punts- acudeix a reparar les inconsistències que sempre havien plagat les Teories Quàntiques de la Gravitació. Tot i que els diagrames que descriuen la dispersió de les partícules puntuals tenen punts definits on una partícula es divideix en dos, el corresponent diagrama per a cordes disperses és completament suau (Figura inferior). Aquest simple fet és en última instància responsable d'eliminar les singularitats en el procés de dispersió gravitatòria el qual fa a la gravetat quàntica inconsistent i per al qual no s'ha trobat remei. Així doncs, tot i les 26 dimensions i de la partícula no física del taquió, es va trobar que la Teoria de Cordes contenia una prometedora solució al problema de la gravetat. 

Teoria de Supercordes

Aquesta promesa va començar a fer-se més convincent quan es va trobar una Teoria de Supercordes millor, la qual no tenia taquions, i que no requeria les 26 dimensions espacials, però que mantenia la partícula sense massa semblant al gravitó. Extraordinàriament, aquesta va enllaçar totes les idees que trobem en les seccions prèvies: supersimetria, unificació i la proposta de Kaluza-Klein.

En la teoria de cordes, el taquió apareix com una excitació amb massa quadrada negativa. Des del punt de vista d'un observador a la corda, aquesta excitació apareix com un estat d'energia negativa. Aquesta estava connectat a un fet familiar en la mecànica quàntica: a causa de el famós Principi de Incertesa, l'energia mínima d'un sistema localitzat tendeix a no desaparèixer. La presència d'un taquió en la Teoria de Cordes podria ser matemàticament rastrejat per la presència d'aquest "punt d'energia zero" que no desapareix en els sistemes quàntics típics. Per tant si podem identificar sistemes quàntics especials on el punt d'energia zero desaparegui, possiblement seríem capaços d'inventar una Teoria de Cordes Especial sense cap taquió.

Els sistemes quàntics sense punts d'energia zero tenen lloc en presència de supersimetria. Esmentem prèviament que aquest supersimetria relaciona els graus de llibertat bosònics i fermiònics. Les energies de punt zero associades a aquests dos tipus de graus de llibertat resulten ser de signe oposat, i es cancel·len idènticament en un sistema supersimétric. Tot i que la ruta històrica a aquest descobriment és bastant més complicada, la nostra moderna comprensió és que aquesta és la clau per a una Teoria de Cordes que no té taquions: "La Teoria de Supercordes".

Anar de la Teoria de Cordes a la de Supercordes finalment va desembocar en una proposta que sembla realment apropiada per descriure el món real, o al menys més apropiada que les anteriors propostes. En la Teoria de Supercordes, el postulat bàsic és, com abans, que les vibracions d'un únic tipus de cordes porta a una multitud de partícules elementals. Però a causa de la supersimetria, no existeixen taquions. Com a afegit, la condició de consistència en el nombre de dimensions espai-temporals canvia quan s'introdueix la supersimetria. Així doncs, en lloc de 26, la Teoria de Supercordes requereix de només 10 dimensions espai-temporals. Finalment, la presència d'una partícula "gravitó" és mantinguda per la Teoria de Supercordes, per tant encara és una Teoria de la Gravetat, de fet, de "supergravetat", l'extensió supersimètrica de la gravetat.

Propietats de la Teoria de Supercordes

L'objecte fonamental en la Teoria de Supercordes és la supercorda: una corda amb graus de llibertat extra que la fan supersimètrica. Després de la llarga cadena de desenvolupaments que hem discutit, i que han portat a la formulació d'aquesta teoria, és hora de discutir la teoria i la seva rellevància per al món real en alguns detalls.

Cinc Teories Diferents

Una corda pot ser oberta, amb dos extrems, o tancada, com un bucle. El postulat físic natural per interaccions entre dues cordes obertes és que quan els seus extrems es toquen, es poden unir en una corda oberta de major grandària. No obstant això, si els dos extrems d'una corda es toquen, poden unir-se per formar una corda tancada. D'aquesta manera, les teories de cordes obertes contenen també, de forma inevitable, a les de cordes tancades (Figura a sota). 

A l'inrevés no és cert. Un parell de cordes tancades poden unir-se quan coincideixen un parell de punts, per formar una única corda tancada. Així doncs, pot haver teories amb només cordes tancades però no obertes. Això dóna com a resultat que la prescripció més natural porta a una possible única teoria de cordes, anomenada Teoria de Supercordes de tipus I, i dues teories de cordes tancades diferents, anomenades Teories de Cordes de tipus IIA i IIB. Un enginyós híbrid de la supercorda de la Teoria de Cordes ordinària (no supersimètrica), anomenat "corda heterótica", es va descobrir també, i hi ha dues d'aquestes teories, fent un total de cinc en conjunt. Actualment tenim un millor coneixement de per què aquestes són les úniques cinc Teories de Supercordes i com estan mútuament interrelacionades.

L'excitació més lleugera d'una Teoria de Cordes pot ser descrita com una Teoria de Camp Quàntic amb un cert nombre de partícules elementals, per tant descriurem el contingut d'aquesta teoria de camp, ignorant temporalment, el fet que hi ha infinites excitacions de cordes d'energia incremental. Per a una corda oberta, la teoria de baixa energia és una teoria de camp en 10 dimensions espai-temporals amb un gravitó (sense massa) i una col·lecció de camps "gauge" molt semblants als camps que descriuen als fotons, bosons W i Z i gluons en el món real. Així doncs, les interaccions del tipus trobat en la naturalesa (gravetat i forces gauge) són incorporades en el Tipus I de la Teoria de Supercordes, encara que en 10 dimensions. Les partícules de matèria fermiónica estan també presents. Estan carregades sota interaccions gauge, anàlogues al fet que els electrons tenen càrrega elèctrica o els quarks porten una "càrrega de color". També, els fermions tenen una "quiralitat" definida, el que significa que la Teoria de Tipus I en 10 dimensions viola la paritat o simetria esquerra-dreta, així com ho fan les interaccions febles en el món real. Això és extremadament esperançador, pel fet que totes aquestes partícules i interaccions, son seguides del simple postulat d'una consistent Teoria de Supercordes obertes! 

Hi ha també alguns punts negatius obvis. El grup de simetria associat a les partícules gauge de la corda Tipus I en 10 dimensions és SO (32), molt més gran del grup de simetria esperat de les interaccions forta, feble i electromagnètica en el món real, la qual cosa és el producte de SU (3), SU (2) i O (1). Per tant veiem que tenim massa forces i els seus corresponents portadors. També, totes les partícules que apareixen a la teoria de baixa energia són exactament sense massa, força diferent del que electrons o quarks del món real els quals tenen una massa definida. Finalment, estem en un nombre incorrecte de dimensions espai-temporals, 10 en lloc de 4. Però cap d'aquests és un autèntic obstacle. A energies extremadament altes, per tot el que sabem, el món real podria semblar de 10 dimensions i tenir grans quantitats de partícules gairebé sense massa i un grup de simetria gauge molt gran. Per tant s'hauria de considerar la Teoria de Supercordes en 10 dimensions amb aquesta llum, com un candidat a la descripció dels límits d'alta energia del món real. Per connectar això amb el món de baixa energia hem d'encarar temes com compactació a 4 dimensions i trencaments de simetria.

Les Teories de Supercordes de Tipus IIA i IIB són una mica diferents. Aquestes contenen un gravitó sense massa, però no tenen les partícules de tipus "gauge" que estan presents en la Teoria de Cordes de Tipus I. Hi ha partícules de matèria fermiónica, però en absència de portadors de força del tipus habitual, aquests no poden transportar càrregues. Els fermions estan en paritat conservativa en la teoria de tipus IIA i en paritat violada en el tipus IIB. Finalment, hi ha alguns camps exòtics anomenats "camps gauge de tensors", els quals amb aproximadament com un spin més alt anàleg al del fotó. No obstant això, els fermions i altres partícules sense massa no estan carregades pel que fa a aquestes. Tot això va ser inicialment percebut com descoratjador i aquestes teories van ser catalogades durant molts anys com a exòtiques i irrellevants en la finalitat de trobar una teoria unificada de la natura. Recents desenvolupaments han demostrat que aquesta visió era falsa. El procés de compactificación pot en realitat produir partícules gauge i fermions carregats sota interaccions gauge. Aquesta és una de les conseqüències de les simetries de dualitat que es discutiran en altres articles d'aquesta col·lecció.

Finalment, descriurem la corda híbrida heterótica. Aquesta estava basada en l'observació que les excitacions d'una corda tancada són similars a petites ones que viatgen en un sentit o en el contrari voltant de la corda. Aquests dos tipus d'ones (anomenats "de moviment dreta" i "de moviment esquerra" per raons òbvies) no interactuen uns amb altres fins i tot encara que es propaguin en la mateixa corda. Per tant és significatiu combinar ones de moviment esquerra comuns amb ones de moviment dreta supersimètriques (més que tenir ambdós tipus d'ones supersimètriques, com en les cordes de tipus II). La corda heterótica està basada en aquesta idea.

Se'ns presenta un misteri immediatament: vam veure que les cordes ordinàries són consistents en 26 dimensions mentre que les supercordes viuen en 10 dimensions. Com poden aparellar-se i en quantes dimensions viuria la teoria resultant? La resposta va venir d'una adaptació de la idea de Kaluza-Klein. Prenem 16 de les 26 dimensions per corbar en petits cercles. Llavors la teoria de 10 dimensions resultant està combinada en la teoria híbrida descrita més amunt. Per tant la teoria final té 10 dimensions, però les seves ones de moviment esquerra tenen un origen de 26 dimensions, i per tant tenen graus ocults de llibertat corresponents a les 16 dimensions extra. Extraordinàriament, aquests graus ocults de llibertat estan manifestats com camps gauge, i els grups de simetria depenen de les mides d'aquestes dimensions compactes i de la forma del tor format per les 16 dimensions compactes. Això dóna com a resultat que la consistència de la Teoria de Cordes resultant permet només dues eleccions per a aquest tor. Una opció porta a un grup de simetria gauge de SO (32), per tant la teoria resultant recorda molt a la Teoria de Supercordes de Tipus I (oberta). L'altra opció porta a alguna cosa bastant nova: el grup de simetria gauge és un producte del grup excepcional E (8) amb si mateix. Aquesta és l'anomenada corda heterótica I (8) x E (8). Aquesta és la cinquena i darrera Teoria de Supercordes en 10 dimensions. Així com la corda de tipus I, les Teories de Cordes heterótiques tenen violació de paritat en 10 dimensions.

Per apreciar el que la Teoria de Cordes proposa aconseguir i com intenta aconseguir aquestes propostes, cal recordar la present formulació de la física de partícules elementals i camps. Després de revisar els principis bàsics de la física de partícules, passarem a la descripció dels fonaments de la Teoria de Cordes en termes no tècnics. 

La Teoria de Cordes, també coneguda per noms com "Teoria de Supercordes" i de vegades "Teoria M", és una idea que ha estat donant voltes durant força temps, unes dues dècades. És, al mateix temps, una continuació lògica de nocions teòriques establertes fa ja gairebé mig segle, i un nou i radical paradigma en la física fonamental.

Potser és aquesta paradoxal naturalesa de la Teoria de Cordes el que explica el per què atrau tanta atenció avui dia. Els desenvolupaments en aquest àmbit han arribat a la portada dels diaris més d'una vegada en els últims anys, tot i no tenir una prova experimental directa que la Teoria de Cordes és la teoria fonamental de la natura.

Anar al capítol 2.

Continua al capítol 4.

Autor de l'original Sunil Mukhi
Traducció de l'anglès: Manuel Hermán
Traducció al català: Sci-Bit

SOFIA revela una nova visió del centre de la Via Làctia

La NASA ha capturat una imatge infraroja extremadament nítida de centre de la nostra galàxia; la Via Làctia. Abastant una distància de més de 600 anys llum, aquest panorama revela detalls dins dels densos remolins de gas i pols en alta resolució, obrint la porta a futures investigacions sobre com s'estan formant les estrelles massives i què està alimentant el forat negre supermassiu en el nucli de la nostra galàxia.

Entre les característiques que s'enfoquen hi ha les corbes sortints del Cúmul d'Arches, que conté la concentració més densa d'estrelles de la nostra galàxia, així com el Cúmul Quíntuple, amb estrelles un milió de vegades més brillants que el nostre Sol. El forat negre de la nostra galàxia pren forma amb un cop d'ull a l'ardent anell de gas que l'envolta.

Aquesta nova visió va ser possible gràcies al major telescopi aeri del món, l'Observatori Estratosfèric per l'Astronomia al Infraroig, o SOFIA. Volant alt a l'atmosfera, aquest Boeing 747 modificat va apuntar la seva càmera infraroja anomenada FORCAST -la Cambra de Objectes Tènues en Infraroig per al Telescopi SOFIA- per observar material càlid galàctic que emet en longituds d'ona de llum que altres telescopis no podrien detectar. La imatge combina la nova perspectiva del SOFIA de les regions càlides amb dades prèvies que exposen material molt calent i fred del Telescopi Espacial Spitzer de la NASA i de l'Observatori Espacial Herschel de l'Agència Espacial Europea.

S'ha presentat a la revista Astrophysical Journal un document de síntesi en què es destaquen els resultats inicials per a la seva publicació. La imatge va ser presentada per primera vegada en la reunió anual de la Societat Astronòmica Americana aquesta setmana el 2020 a Honolulu.

"És increïble veure el nostre centre galàctic amb un detall que mai abans havíem vist", va dir James Radomski, un científic de l'Associació d'Universitats de Recerca Espacial al Centre de Ciència SOFIA al Centre d'Investigació Ames de la NASA a la Silicon Valley a Califòrnia. "Estudiar aquesta àrea ha estat com tractar de muntar un trencaclosques amb peces per fer. Les dades del SOFIA omplen alguns dels forats, apropant-nos significativament a tenir una imatge completa".

Clic per engrandir. Imatge infraroja composta de centre de la nostra Via Làctia. S'estén al llarg
de més de 600 anys llum i està ajudant els científics a saber quantes estrelles massives s'estan
formant al centre de la nostra galàxia. Les noves dades del SOFIA preses a 25 i 37 micres,
mostrades en blau i verd, es combinen amb les dades de l'Observatori Espacial Herschel,
mostrats en vermell (70 micres), i del Telescopi Espacial Spitzer, en blanc (8 micres). La imatge de SOFIA revela característiques que mai abans s'havien vist. Crèdits: NASA / SOFIA / JPL-Caltech / ESA / Herschel

El naixement de les estrelles

Les regions centrals de la Via Làctia tenen significativament més del dens gas i pols que són els blocs de construcció de les noves estrelles en comparació amb altres parts de la galàxia. Tot i així, hi ha 10 vegades menys estrelles massives nascudes aquí del que s'esperava. Entendre per què existeix aquesta discrepància ha estat difícil a causa de tota la pols entre la Terra i el nucli galàctic que s'interposa en el camí, però observar amb llum infraroja ofereix una mirada més propera a la situació.

Les noves dades en infraroig il·luminen les estructures indicatives del naixement d'estrelles a prop del Cúmul Quintuplet i el material calent aprop del Cúmul d'Arches que podria ser la llavor de noves estrelles. Veure aquestes característiques càlides en alta resolució podria ajudar als científics a explicar com algunes de les estrelles més massives de tota la nostra galàxia van aconseguir formar-se tan a prop unes de les altres, en una regió relativament petita, tot i la baixa taxa de naixement en les àrees circumdants.

"Entendre com el naixement massiu d'estrelles ocorre en el centre de la nostra pròpia galàxia ens dóna informació que pot ajudar-nos a aprendre sobre altres galàxies més distants", va dir Matthew Hankins, un becari postdoctoral del California Institute of Technology a Pasadena, Califòrnia, i investigador principal del projecte. "L'ús de múltiples telescopis ens dóna pistes que necessitem per entendre aquests processos, i encara hi ha més per descobrir".

Anell al voltant del forat negre

Els científics també poden veure més clarament el material que pot estar alimentant l'anell al voltant del forat negre supermassiu central de la nostra galàxia. L'anell té uns 10 anys-llum de diàmetre i juga un paper clau en l'aproximació de la matèria al forat negre, on pot ser eventualment devorada. L'origen d'aquest anell ha estat durant molt temps un trencaclosques per als científics perquè podria esgotar-se amb el temps, però les dades del SOFIA revelen diverses estructures que podrien representar material que se li està incorporant.

Les dades van ser preses al juliol de 2019 durant el desplegament anual del SOFIA a Christchurch, Nova Zelanda, on els científics estudien els cels de l'hemisferi sud. El conjunt de dades complet i calibrat està actualment disponible per als astrònoms de tot el món per a futures investigacions a través del Programa del llegat del SOFIA.

El telescopi volador de NASA SOFIA va capturar una imatge infraroja nítida del centre de la
nostra galàxia; la Via Làctia. Revela detalls dins dels densos remolins de gas i pols, obrint la
porta a futures investigacions sobre com s'estan formant les estrelles massives i què està
alimentant el forat negre en el nucli de la nostra galàxia. Crèdit: NASA/Ames Research Center.
Recordem que podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo.

El Telescopi Espacial Spitzer serà retirat del servei el 30 de gener de 2020, després d'haver operat durant més de 16 anys. SOFIA continua explorant l'univers infraroig i estudiant les longituds d'ona de la llum de l'infraroig mitjà i llunyà amb alta resolució que no són accessibles per a altres telescopis, i ajudant als científics a entendre la formació d'estrelles i planetes, el paper que els camps magnètics juguen a la formació del nostre univers, i l'evolució química de les galàxies. Alguns dels molt tènues punts i regions fosques revelats en la imatge del SOFIA poden ajudar a planejar els objectius per als telescopis de el futur, com el telescopi espacial James Webb.

SOFIA, és un avió Boeing 747SP modificat per portar un telescopi de 106 polzades de diàmetre. És un projecte conjunt de la NASA i el Centre Aeroespacial Alemany, DLR. El Centre d'Investigació Ames de la NASA al Silicon Valley de Califòrnia fa servir el programa SOFIA, per la ciència i les operacions de la missió en cooperació amb l'Associació d'Investigació Espacial de les Universitats amb seu a Columbia, Maryland, i l'Institut Alemany SOFIA (DSI) de la Universitat de Stuttgart. L'aeronau és mantinguda i operada des de l'edifici 703 del Centre d'Investigació de Vol Armstrong de la NASA, a Palmdale, Califòrnia.

Ho he vist aquí.

Feliç Any Nou!!

La Teoria de Cordes: Una introducció detallada (II)

Tres intents d'unificació

Abans de començar amb la Teoria de Cordes, és útil recordar tres direccions en les que va augmentar el descontentament estètic al tenir tantes forces i partícules fonamentals.

La idea de Kaluza-Klein

El primer d'ells, que data de principis d'aquest segle, sembla haver estat un avançat al seu temps, tant en l'anàlisi del problema com en l'audàcia de la solució. Als anys 20, els físics Th. Kaluza i Oskar Klein van observar de forma independent que la gravitació i l'electromagnetisme (les úniques dues forces fonamentals que es coneixien en aquell temps!) Eren, en cert sentit, una mateixa cosa. Sentien que seria molt més agradable si les dues forces poguessin ser derivades d'un únic origen comú.

En la proposta de Kaluza-Klein, l'espai té dimensions extra més enllà de les que observem habitualment. L'exemple més simple és assumir quatre dimensions espacials en total. No obstant això, una d'aquestes quatre dimensions no s'estén de manera infinita, per tant podem travessar-la i experimentar-la, però està corbada sobre si mateixa. Això és similar a un bastó, sobre el qual un insecte estaria restringit a moure només en una direcció (al llarg del bastó) i no descobriria que el bastó té una finita, encara que petita, amplada que constitueix una dimensió independent (dues dimensions) del seu món.

Kaluza i Klein van proposar llavors que en aquest món de quatre dimensions espacials, només hi ha gravitació i no electromagnetisme. Un senzill càlcul revela que quan una de les quatre dimensions espacials està corbada, la partícula d'espín 2 (gravitó) en les quatre dimensions espacials, efectivament, es divideix en una partícula d'espín 2 i una partícula d'espín 1 en tres dimensions espacials. A més, aquestes partícules satisfan l'equació adequada que descriu la gravitació i l'electromagnetisme en el món físic.

La proposta de Kaluza-Klein, que una o més dimensions espacials estan "compactificades", va romandre com una curiositat durant diverses dècades. La seva proposta només proporcionava un marc de treball clàssic en el qual la gravetat d'Einstein i l'electromagnetisme de Maxwell tenien un origen comú (això no era error seu, la Teoria de Camps Quàntics encara no s'havia inventat en aquesta època!). La dificultat en implementar-seriosament venia de el fet que, malgrat els intents, cap Teoria Quàntica podia ser associada a aquesta idea. Com hem esmentat prèviament, no es tenia un coneixement consistent amb la Teoria Quàntica de la Gravetat en tres dimensions espacials, per la qual cosa acudint a majors dimensions la dificultat en construir tal teoria era fins i tot més gran. No obstant això, com veurem, en el context de la Teoria de Cordes les dificultats desapareixen, i no és impossible treballar tant amb la Gravetat Quàntica com les dimensions.

Gran unificació

Una direcció diferent d'investigació, iniciada als anys 70, era la proposta que al menys les tres forces fonamentals associades al Model Estàndard podrien ser unificades en una única força a escales d'alta energia. Aquesta proposta, anomenada, "Gran Unificació", va fer ús del fet que l'electromagnetisme i les forces nuclears forta i feble semblaven elevar-se d'una estructura matemàtica comú, les Teories de "Yang-Mills". Podria haver-hi una única teoria de la qual aquestes tres forces fossin merament diferents manifestacions?

Aquesta proposta va ignorar la gravetat en la seva major part, per la qual cosa no era una proposta tan ambiciosa com l'intent de Kaluza-Klein, però va fer alguns progressos sense supòsits radicals com dimensions espacials ocultes. Va explotar una propietat bàsica de les Teories de Camp Quàntic: la seva manifestació física depèn fortament de l'escala d'energia de les partícules que les involucren. A energies molt altes, sembla aparèixer una teoria que descriu un conjunt de partícules amb un conjunt de simetries, mentre que a baixes energies les partícules i simetries poden canviar dràsticament. En particular, les simetries que es representen a escales d'alta energia poden "trencar-se" a baixes energies.

D'aquesta manera, la Gran Unificació postula que a altes energies hi ha una única força gauge, intervinguda per una família de partícules fonamentals. Aquestes partícules estaria relacionades unes amb les altres per la "simetria gauge" que es manifesta a aquestes energies. Quan vam baixar en l'escala d'energia, aquesta simetria es trenca i l'única força gauge es divideix en tres forces diferents: l'electromagnètica, la feble i la forta. Al revés, anant cap amunt en l'energia, les tres forces (les quals tenen diferent intensitat) tendeixen a unificar-se gradualment, fins a una escala particular en la que tenen la mateixa intensitat i poden ser adscrites a un origen comú.

En efecte, una variant d'aquest mecanisme opera en el Model Estàndard, on les interaccions electromagnètica i feble s'unifiquen d'aquesta forma. Per sobre de certa energia es combinen en una única força anomenada força "electro-feble". La Gran Unificació s'extrapola aquesta idea, però l'energia a la qual la unificació té lloc és molt alta, uns 10 ordres de magnitud més gran que les energies més altes accessibles avui dia en els acceleradors.

La Gran Unificació també té les seves dificultats. Extrapolar una teoria a escales d'energia molt altes té el problema de vegades anomenat "problema jeràrquic". Aquest es pot enunciar aproximadament com segueix: si diverses forces en una teoria s'unifiquen a una escala d'energia molt alta, llavors aquesta escala d'energia "natural" és molt més alta que les masses de les partícules elementals comuns com ara electrons i quarks. En aquesta situació, un ha d'explicar per què aquestes partícules són molt més lleugeres que l'escala d'energia natural de la teoria (com hem esmentat, la discrepància és d'uns 10 ordres de magnitud!). Aquest problema podria no semblar molt seriós per al profà, però els professionals de la Teoria de Camps Quàntics creuen que una jerarquia no natural d'escales d'energia dispars en una teoria és un signe d'alguna seriosa inconsistència.

Supersimetria

Una direcció completament diferent d'investigació que va apuntar a una reducció de la misteriosa multiplicitat de les partícules elementals, va ser la proposta a principis dels anys 70 d'una nova forma de simetria anomenada "supersimetria". Aquesta és una transformació matemàtica que relaciona partícules d'espín sencer (bosons) amb partícules d'espín semi-sencer (fermions).

Com hem vist més amunt, els bosons tendeixen a ser mediadors de les forces fonamentals, mentre que els fermions construeixen la "matèria" que experimenta aquestes forces. Amb la supersimetria, s'esperava que els bosons i fermions, per primera vegada, s'unissin de forma fonamental. Això potser faria possible començar amb unes poques forces fonamentals i les seves partícules associades, i llavors, assumint la supersimetria, derivar l'existència de les partícules restants.

Desafortunadament, analitzant les matemàtiques, va quedar clar molt aviat que les partícules elementals conegudes no eren definitivament companyes unes de les altres sota supersimetria. Com la compactació de Kaluza-Klein i la Gran Unificació, la supersimetria semblava ser una idea problemàtica.

Un exemple de simulació a partir de les dades de la desintegració de dos protons de molt
alta energia generant un Bosó de Higgs en el decaïment en dos feixos d'hadrons i dos
electrons en el detector CMS del LHC al CERN. Les línies representen les possibles vies
de desintegració, mentre que la zona en blau clar representa l'energia obtinguda en la
desintegració de les partícules en el detector. Crèdit: Lucas Taylor / CERN

Com a resultat, de forma sorprenent, la supersimetria es va convertir d'una idea errònia en un potencial èxit quan es va tenir en compte que podia reparar la deficiència de la Gran Unificació. En lloc d'assumir que la supersimetria relaciona els bosons i fermions coneguts amb els altres, es pot fer la (aparentment inútil) suposició que la supersimetria relaciona els bosons i fermions coneguts amb 'fermions i bosons desconeguts en el present!. Això duplica immediatament el nombre de partícules al "zoo", i també requereix que expliquem per què la "altra meitat" encara no ha estat observada. I tot i així, hi ha una tremenda guany de potencial amb aquesta idea.

Les partícules aparellades per la supersimetria han de tenir la mateixa massa. Atès que les partícules conegudes no es produeixen en parells de la mateixa massa, la supersimetria ha de trencar-se a certa escala d'energia. Per sobre d'aquesta escala d'energia, la supersimetria es manifestaria però per sota no ho faria. Com a resultat, els "super-companys" serien observats només en acceleradors que funcionin per sobre de l'escala d'energia a la qual es manifesta la supersimetria.

Combinant supersimetria i Gran Unificació, es pot fer una teoria en la qual el trencament de la simetria de la Gran Unificació té lloc normalment a energies molt altes, però la ruptura de la supersimetria té lloc a energies considerablement més baixes, just per sobre de les energies a la qual operen els acceleradors actuals. En aquesta situació resulta que la supersimetria resol el "problema jeràrquic": En les Teories Unificades Supersimètriques d'aquest tipus, és natural que algunes partícules siguin més lleugeres fins i tot malgrat que l'escala d'energia natural sigui molt alta. Així doncs, la supersimetria i la Gran Unificació coexisteixen millor juntes que per separat.

Hi ha a més un afegit: la unificació d'un parell de constants a una escala d'alta energia, que discutim més amunt, en veritat no té lloc sense supersimetria. Hi ha tres intensitats acoblades en el Model Estàndard (corresponents a les tres forces que unifica), i amb la precisió actual ha sorgit que no hi ha una única energia a la qual es facin iguals. No obstant això, incorporant la supersimetria en el Model Estàndard canvia el rang a el que els acoblaments varien amb l'energia. En la Teoria Supersimètrica, els acoblaments en realitat s'unifiquen en un únic punt. Aquesta és una notable raó addicional, independent del problema jeràrquic, per incorporar la supersimetria en una Teoria Unificada.

Avui, fins i tot si s'ignora la Teoria de Cordes, les idees bessones de supersimetria i Gran Unificació estan molt vives i són el tema d'intenses investigacions teòriques i experimentals. No obstant això, aquests models pateixen diverses limitacions, i no inclouen la quarta, i més familiar força; la gravitació.

Anar al capítol 1
Continua al capítol 3

Autor de l'original Sunil Mukhi
Traducció de l'anglès: Manuel Hermán
Traducció al català: Sci-Bit

La Teoria de Cordes: Una introducció detallada (I)

Durant la meva etapa com col·laborador d'Astroseti, que va durar uns quants anys, vaig compartir l'experiència de divulgar ciència -principalment  astronòmica- amb un grup de gent a on la gran majoria, eren i son, fantàstics divulgadors de continguts científics. Un d'ells és en Manuel Herman, aka Kanijo, que l'any 2007 va emprendre el vol en solitari, com hem anar fent d'altres amb major o menor fortuna. El cas es que en Manuel va crear un magnífic blog, anomenat Ciencia Kanija (CK), que va resultar ser també tot un referent en el mon científic en llengua castellana, caracteritzat pel seu interès, rigor i seriositat alhora d'aportar-hi els continguts. Després d'uns anys, va haver-ho de deixar per motius personals, i abans que pugui desaparèixer la seva feina i caure en l'oblit, he pensat que seria oportú compartir en català, uns interessants articles que posen una mica de llum sobre la Teoria de les Cordes, publicat a CK l'abril del 2007. Som-hi!

Introducció

La Teoria de Cordes, també coneguda amb els noms de "Teoria de Supercordes" i de vegades "Teoria M", és una idea que ha estat donant voltes durant força temps, unes dues dècades. És, al mateix temps, una continuació lògica de nocions teòriques establertes fa ja gairebé mig segle, i un nou i radical paradigma en la física fonamental.

Potser és aquesta paradoxal naturalesa de la Teoria de Cordes el que explica el per què atrau tanta atenció avui dia. Els desenvolupaments en aquest àmbit han arribat a la portada dels diaris més d'una vegada en els últims anys, tot i no tenir una prova experimental directa que la Teoria de Cordes és la teoria fonamental de la natura.

Per apreciar el que la Teoria de Cordes proposa aconseguir i com intenta aconseguir aquestes propostes, cal recordar la present formulació de la física de partícules elementals i camps. Després de revisar els principis bàsics de la física de partícules, passarem a la descripció dels fonaments de la Teoria de Cordes en termes no tècnics. 

Partícules elementals i camps

Considera la força familiar de l'electromagnetisme. En el nivell més simple (aplicable a molts fenòmens a escales de distància quotidianes) està descrit per un camp clàssic. En aquest marc, un imant exerceix una força sobre un altre imant atès que cada un d'ells és una font de camp electromagnètic, impregnant tot l'espai però fent-se més feble com més llunyana és la distància a la font. El camp no necessita d'un mitjà en què recolzar-se, i pot imaginar-se com una pertorbació del buit. Postular l'existència de tal camp, subjecte a les equacions d'ona, explica, d'una forma unificada, tots els fenòmens associats a l'electricitat i magnetisme en un punt.

La Teoria de Camps de Electromagnetisme Clàssica col·lapsa a distàncies molt curtes, o en presència de camps molt forts. Això fa necessari assumir que aquest camp no és només un nombre en cada punt de l'espai i temps, sinó un operador quàntic, que té propietats matemàtiques definides però bastant complicades. El camp quàntic es redueix al clàssic sota les circumstàncies habituals, però difereix notablement d'aquest en alguns règims de distància o energia.

En la Teoria Quàntica, un camp no és només una cosa associada a ones, sinó també relacionat amb les partícules per virtut de la ben coneguda dualitat ona-partícula. Una partícula elemental és un tipus d'excitació coherent d'un camp quàntic. Així doncs, el camp electromagnètic ha de ser associat a una partícula fonamental que es trobi en la natura. De fet, tal partícula existeix i se la coneix com fotó. Una imatge intuïtiva d'una interacció electromagnètica, com és descrita per la Teoria Quàntica, és que el que fa de camp és intercanviat entre els objectes que interactuen. Així doncs, un parell d'imants, quan s'aproximen l'un a l'altre, intercanvien fotons, i és aquest intercanvi el que condueix la força entre ells. Es podria dir que l'existència del fotó està predita per l'existència d'interaccions electromagnètiques quàntiques.

Extraordinàriament, totes les interaccions que es necessiten per explicar la Química (i, fins on coneixem, la Biologia) són electromagnètiques per naturalesa. Els àtoms interactuen electromagnèticament per formar molècules i compostos. D'alguna manera, per tant, podríem afirmar que l'electromagnetisme (el qual està correctament descrit per la Teoria de Camps Quàntics) és una "Teoria Unificada de la Química". Això no redueix de cap manera la importància de la investigació química!. De vegades, la Teoria Unificada subjacent no és l'eina més pràctica per respondre a les preguntes que els químics volen fer. Però tot i així és profundament satisfactori estar segurs que l'electromagnetisme és la teoria completa que en principi subjau i unifica tots els fenòmens químics. Tindrem més a dir sobre la idea de Teoria Unificada en el que segueix.

Com l'electromagnetisme, cada interacció fonamental ha de tenir la seva pròpia partícula intermediària. Precisament les tres altres classes d'interaccions fonamentals que coneixem. Una d'elles és la familiar força gravitatòria, mentre que les altres dues són forces nuclears que només van ser descobertes en aquest segle (dit del Segle XX, l'article és de 1999): les forces "nuclear forta" i la "nuclear feble". La primera és, en particular, responsable de mantenir units als protons i neutrons que conformen el nucli d'un àtom, mentre que l'altra és una força totalment diferent i dóna lloc a fenòmens com la descomposició atòmica. La força feble és l'única que viola la simetria esquerra-dreta o paritat. La gravitació, com l'electromagnetisme, és una força de llarg abast, aquesta és la raó per la qual es coneixen des de fa temps. Les dues forces nuclears dèbils són de curt abast, i, per tant, no són observades comunament a les escales quotidianes.

Per tant, podem preguntar quina és la partícula elemental associada a cadascuna d'aquestes interaccions. Per a la gravitació, associem el "gravitó", una partícula que no ha estat observada directament però que es pensa que existeix. Per la força nuclear forta associem un conjunt de partícules anomenades "gluons" a causa de les seves propietats d'unió similars a la cola (de "glue", cola en anglès), i per la força nuclear feble associem un altre conjunt de partícules anomenades "bosons W i Z". Hi ha proves de pes per a l'existència dels gluons, mentre que els bosons W i Z produïts en els acceleradors s'han observat directament. Segons això, tenim llavors un resum de totes les forces fonamentals i els portadors d'aquesta força coneguts o que creiem que existeixen avui dia, vegeu la taula següent.

Clarament aquesta no és tota la història de les partícules fonamentals. Les partícules com els electrons i els neutrins experimenten una o més de les forces descrites més amunt, però no són en si mateixes portadores. Es pensa en elles com partícules materials (encara que fotons i gluons no són veritablement immaterials). Les partícules materials són usualment els fermions, partícules amb un moment angular intrínsec (espín) que és semi-enter a les unitats adequades. Els portadors de les forces com els fotons i gravitons són bosons partícules que porten un espín sencer. De fet, tots els portadors de forces excepte el gravitó tenen espín 1 en unitats de la Constant de Planck, mentre que el gravitó té espín 2. Aquesta curiosa diferència entre el gravitó i altres portadors de forces és d'alguna manera el responsable de la importància de la Teoria de Cordes, com veurem aviat.

La Teoria de Camps Quàntics, llavors, és un marc de treball matemàtic per a descriure les interaccions entre els portadors de forces i les partícules materials. En aquest domini d'aplicabilitat, hi ha hagut un rotund èxit. Els processos de dispersió que tenen lloc quan un electró xoca amb un altre, per exemple, pot ser descrit amb gran precisió usant aquest marc de treball. Estem tractant amb una cosa completament bàsica, una interacció entre partícules indivisibles degut a forces fonamentals que no tenen un origen més profund fins a on coneixem.

Algunes dificultats al llarg del camí

Hi ha dos problemes en aquesta història, un aparentment estètic i un altre aparentment tècnic. Però com totes les autèntiques dificultats trobades en la història de la investigació científica, aquestes semblen apuntar un camí cap a un futur que és una extensió espectacularment rica de el present.

La dificultat estètica és gairebé òbvia fins i tot per a una persona comuna. En una teoria fonamental amb cap explicació més profunda, per què hauria d'haver tal quantitat de forces fonamentals i partícules materials? Electrons, muons, neutrins, quarks, bosons W, gluons, gravitons ... la llista és bastant llarga i la col·lecció completa de partícules comença a semblar-se a un zoo. Això és inquietant si es suposa que aquestes partícules són els últims constituents de la matèria.

La dificultat tècnica és més difícil d'explicar, però té la seva arrel en un simple fet. La descripció matemàtica de les partícules d'espín 1, encara que extremadament intricat, és per ara força ben coneguda gràcies a l'enginyós treball dels físics dels anys 60 i 70. A nivell clàssic, va començar amb la famosa equació de Maxwell per l'electromagnetisme, i seva generalització en 1954 a causa de Yang i Mills. (Juntes, totes aquestes teories són de vegades anomenada Teoria de Gauge). La corresponent Teoria Quàntica va ser formulada per l'electromagnetisme per Feynman, Schwinger i Tomonaga en els anys 40, i per a la generalització de Yang-Mills per 't Hooft i Veltman en els anys 70. (Aquests èxits són punts de referència: Feynman et. al. van rebre el Premi Nobel el 1965, mentre que 't Hooft i Veltman van ser guardonats amb el Premi Nobel a l'octubre de 1999, fins i tot quan aquest article estava sent acabat).

L'electromagnetisme quàntic descriu el fotó i la seva interacció amb partícules carregades, mentre que la Teoria Quàntica de Yang-Mills descriu els bosons W i Z i els gluons (els portadors de les forces nuclears forta i feble) i les seves interaccions. La combinació de totes aquestes teories conformen una única teoria major anomenada el "Model Estàndard" d'interacció de partícules, el qual és una Teoria Quàntica Gauge. És més, el Model Estàndard predeia l'existència de bosons W i Z abans que es trobessin. També prediu una partícula anomenada "bosó de Higgs" que encara no ha estat descoberta (recordem que l'article és de 1999).

El lector haurà notat que el Model Estàndard, com descrivim a dalt, no inclou al gravitó i les seves interaccions. Això és degut al fet que el gravitó, per tenir espín 2, no està descrit per una Teoria Gauge. De fet, sabem quina és la teoria clàssica corresponent a la interacció gravitatòria: és la llegendària Teoria de la Relativitat General d'Einstein. La dificultat tècnica és que no tenim una Teoria Quàntica corresponent. Malgrat el nostre èxit amb les partícules d'espín 1 (expressades en Teories Gauge), fins a la data tots els intents per formular una Teoria Quàntica per partícules d'espín 2 a la mateixa línia han fallat. Si una teoria fonamental de totes les interaccions podria ser coneguda com "Teoria de el Tot", llavors el Model Estàndard és una altament reeixida i experimentalment comprovada teoria de "tres quarts de el tot" (atès que incorpora tres de les quatre interaccions fonamentals). Encara que això és impressionant, vol dir que el Model Estàndard no és, clarament, la teoria final.

La raó per la qual el Model Estàndard és útil tot i l'absència de gravetat és que la força de les interaccions gravitatòries depèn de les masses dels cossos gravitatoris involucrats. Per partícules elementals, la força gravitatòria entre elles és tan petita que no es pot apreciar per observació directa. D'aquí que sigui menyspreable per a efectes pràctics, i la nostra ignorància d'una Teoria Quàntica de la Gravetat no és un impediment per verificar el Model Estàndard per comparació amb experiments.

No obstant això, sense gravetat el Model Estàndard està seriosament incomplet. Aquí és on la Teoria de Cordes apareix en escena.

Continua al capítol 2.

Autor de l'original Sunil Mukhi

Traducció de l'anglès: Manuel Herman

Traducció al català: Sci-Bit