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

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

El bosó de Higgs

Tu i tot allò que t'envolta esteu fets de partícules. Però quan l'univers va començar, cap partícula no tenia massa; totes elles corrien a tota velocitat a la velocitat de la llum. Les estrelles, els planetes i la vida només podrien emergir perquè les partícules van obtenir la massa d'un camp fonamental associat amb el bosó de Higgs. L'existència d'aquest camp de subministrament de massa es va confirmar el 2012, quan es va descobrir la partícula del bosó de Higgs al CERN.

Què és el bosó de Higgs?

A la nostra descripció actual de la Natura, cada partícula és una ona en un camp. L'exemple més conegut d'això és la llum: la llum és simultàniament una ona al camp electromagnètic i un corrent de partícules anomenades fotons. En el cas del bosó de Higgs, el camp era primer. El camp de Higgs va ser proposat el 1964 com un nou tipus de camp que omple tot l'Univers i dóna massa a totes les partícules elementals. El bosó de Higgs és una ona en aquest camp. El seu descobriment confirma l'existència del camp de Higgs.

 Clic per engrandir. Vista artística del camp de Brout-Englert-Higgs Crèdit: CERN

Com obtenen massa les partícules?

Les partícules obtenen la massa en interactuar amb el camp de Higgs; no tenen una massa pròpia. Com més fort interactua una partícula amb el camp de Higgs, més pesada és la partícula. Els fotons, per exemple, no interactuen amb aquest camp i, per tant, no tenen massa. Tot i això, altres partícules elementals, incloent electrons, quarks i bosons, interactuen i per tant tenen una varietat de masses. Aquesta interacció de lliurament de massa amb el camp de Higgs es coneix com el mecanisme de Brout-Englert-Higgs, proposat pels teòrics Robert Brout, François Englert i Peter Higgs.

Clic per engrandir. Carta que mostra les partícules del Model Standard. Crèdit: CERN

Com descobrim el bosó de Higgs?

El bosó de Higgs no pot ser "descobert" o trobar-lo en algun lloc, però ha de ser creat en una col·lisió de partícules. Un cop creat, es transforma, o "decau", en altres partícules que es poden detectar als detectors de partícules.

Els físics busquen rastres d'aquestes partícules a les dades recollides pels detectors. El desafiament és que aquestes partícules també es produeixen en molts altres processos, a més a més el bosó de Higgs només apareix en aproximadament una de cada mil milions de col·lisions del LHC. Però una acurada anàlisi estadística d'enormes quantitats de dades va descobrir el feble senyal de la partícula el 2012.

Clic per engrandir. Experiment CMS al LHC del CERN el 13 de maig de 2012. Crèdit: CERN.

Com sabien els físics que era el Higgs?

El 4 de juliol del 2012, les col·laboracions d'ATLAS i CMS van anunciar el descobriment d'una nova partícula en un auditori ple al CERN. Aquesta partícula no tenia càrrega elèctrica, era de curta durada i es va desintegrar en formes que era el bosó de Higgs, segons la teoria. Per confirmar si realment era el bosó de Higgs, els físics necessitaven verificar el seu espín (el bosó de Higgs és l'única partícula que té un espín de zero). En examinar dues vegades i mitja més dades, van concloure el març del 2013 que, de fet, s'havia descobert algun tipus de bosó de Higgs.

Què hem après des del descobriment del bosó de Higgs?

Descobrir el bosó de Higgs va ser només el començament. En els deu anys transcorreguts des de llavors, els físics han examinat com interactua fortament amb altres partícules, per veure si això coincideix amb les prediccions teòriques.

La força d'interacció es pot mesurar experimentalment observant la producció i el decaïment del bosó de Higgs: com més pesada és una partícula, més probable és que el bosó de Higgs es descomposi o es produeixi a partir d'ella. La interacció amb els leptons tau es va descobrir el 2016 i la interacció amb els quarks superior i inferior el 2018. Però encara ens queda molt per aprendre sobre aquesta partícula elusiva.

Clic per engrandir. Detecció de la partícula als experiments ATLAS i CMS. Crèdit:CERN

Què cercarem a continuació?

Encara tenim molt per aprendre sobre el bosó de Higgs. És únic o hi ha tot un sector de partícules de Higgs? Ajuda a explicar com es va formar l'univers, amb la matèria triomfant sobre l'antimatèria? Obté la massa interactuant amb si mateix d'alguna manera? I per què la seva massa és tan petita, cosa que suggereix l'existència d'un mecanisme completament nou. Es podria trobar matèria fosca i altres partícules noves gràcies a les interaccions amb el bosó de Higgs?  Deu anys després del descobriment, el viatge gairebé no ha començat.

Com afecta el bosó de Higgs la vida quotidiana?

El bosó de Higgs té, i seguirà tenint, un impacte a les nostres vides, en formes que potser no s'hagin imaginat. És part de la resposta a per què nosaltres –i tot amb el que interactuem– tenim massa, alimentant la nostra curiositat humana natural sobre el nostre univers i com va evolucionar. En la recerca d'aquesta partícula, les tecnologies d'accelerador i detector es van portar al límit, la qual cosa va portar a avenços en la salut, la indústria aeroespacial i més.

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

El disc d’or de les Voyager; sons de la terra per a extraterrestres

La NASA ha fet públics, fa pocs dies, els sons gravats que incorporen en un disc les sondes Voyager, enviades a l'espai l'any 1977. 

El Programa Voyager fou una sèrie de dues sondes interplanetàries no tripulades de la NASA, amb l'objectiu d'investigar els planetes Júpiter i Saturn. Inicialment concebudes dins del programa Mariner, finalment foren considerades una missió independent i rebatejades com a Voyager; les dues sondes del programa foren la Voyager 1 i la 2.

No hem de confondre, com passa massa sovint, el disc de les Voyager amb la placa que incorporaven les sondes Pionner, veieu la diferència aquí sota.

Placa de les Pionner

La missió de les Pioneer era explorar els planetes gegants (Júpiter i Saturn) del sistema solar i també establir contacte amb civilitzacions extraterrestres per al qual se'ls hi van incorporar sengles plaques inscrites amb un missatge simbòlic informant a una possible civilització extraterrestre, que pogués interceptar les sondes, sobre l'ésser humà i el seu lloc de procedència: la Terra, una espècie de "missatge en una ampolla" interestel·lar. En elles apareixen:

- A la dreta, la imatge de la sonda amb l'única finalitat de donar proporció a les dues figures humanes dibuixades davant, una de femenina i una altra de masculina.

- A l'esquerra, un feix de línies que parteixen radialment d'un mateix punt. Aquest punt és el planeta Terra, les línies indiquen la direcció dels púlsars més significatius propers al nostre sistema solar i a de cada un, en sistema de numeració binari, la seva corresponent seqüència de polsos. Aquest apartat constitueix la nostra "adreça" dins l'univers. Una civilització tècnicament avançada, amb coneixement dels púlsars, podria interpretar les plaques.

- A la part inferior es representa un esquema del sistema solar, amb els planetes ordenats segons la seva distància al Sol i amb una indicació de la ruta inicial de les Pioneer.

- L'esquema situat a la part superior esquerra de la placa, representa una inversió en la direcció de l'electró d'espín en un àtom d'hidrogen, l'element més abundant a l'univers. Aquesta transició provoca una ona de radi de 21 centímetres.

Les plaques van ser dissenyades pels astrònoms nord-americans Carl Sagan i per Frank Drake, i dibuixades per Linda Salzman Sagan (esposa de Carl Sagan). De fet, va ser el propi Sagan qui va convèncer la NASA perquè la Pioneer portés la placa.

Aquestes son el disc que incorporen les sondes Voyager.

Les dues cares del disc de les Voyager

Significat de les imatges que incorpora la cara muda del disc:

1. Codi binari que defineix la velocitat adequada (3,6 segons x revolució) per fer girar el disc |= en codi binari 1, - = en codi binari 0, expressats en 0,7 x 10^-9 segons; el període de temps associat amb la transició fonamental de l'àtom d'hidrogen.
2. Esbós del cartutx que porta l’agulla per poder reproduir el disc que incorporen les sondes.
3. Vista en planta del disc.
4. Vista en alçat del cartutx .
5. Vista en alçat del disc. Temps de reproducció d’una cara ~ 1 hora
6. El diagrama defineix la localització del nostre Sol utilitzant 14 púlsars que permeten localitzar-lo, el codi binari defineix la freqüència dels polsos.

Els diagrames de la meitat dreta del disc defineixen la part de vídeo de l'enregistrament

7. Aspecte general de l'ona dels senyals de vídeo que es poden trobar a la gravació.
8. El codi binari dóna les claus temporals per al seu examen o escaneig (~8 mseg).
9. Activació de l’examen o escaneig.
10. Marc de la imatge de vídeo que mostra la direcció del codi binari d'exploració indicant el temps de cada escombrat d'exploració (512 línies verticals per imatge completa)
11. Si el descodificat és correcte, la primera imatge que apareixerà és un cercle
12. Aquest diagrama il·lustra els dos estats més baixos de la àtom d'hidrogen. Les línies verticals amb els punts indiquen el spin del protó i l'electró. El temps de transició d'un estat a un altre proporciona les necessàries referències de temps bàsiques utilitzades en tots els diagrames de les cobertes del disc i per a la descodificació de les imatges.

El Programa Voyager fou una sèrie de dues sondes interplanetàries no tripulades de la NASA amb l'objectiu d'investigar Júpiter i Saturn. Inicialment concebudes dins del programa Mariner, finalment foren considerades una missió independent i rebatejades com a Voyager; les dues sondes del programa foren la Voyager 1 i la Voyager 2.

Les dues missions del programa Voyager han estat un dels majors èxits de la NASA. El programa fou dissenyat per treure partit d'una oportuna alineació planetària avantatjosa dels planetes exteriors durant els darrers anys de la dècada de 1970. Aquesta posició de Júpiter, Saturn, Urà i Neptú, que ocorre una vegada cada 175 anys, donava a una sonda espacial que seguís una particular trajectòria la possibilitat de passar prop d'un planeta, observar-lo i, aprofitant-ne l'assistència gravitatòria, seguir el seu viatge fins al següent planeta. Així, l'ús dels propulsors propis de la nau es limitava a realitzar petites correccions en la trajectòria. A més, va facilitar la realització de l'anomenat retrat de família.

A més de la seva missió principal, la Voyager 2 també aconseguí explorar Urà i Neptú. Les dues sondes van obtenir una gran quantitat d'informació sobre els planetes gegants del sistema solar i pogueren posar límits molt més estrictes a la possible existència d'un gran planeta més enllà de Plutó. Actualment els dos vehicles, juntament amb la Pioneer 10 són els objectes humans més llunyans i s'estan acostant al què es considera el límit del sistema solar: allà on la influència del vent solar queda anul·lada pel medi interestel·lar. Les fonts d'alimentació elèctrica de les dues sondes continuen en funcionament i permeten que segueixin enviant dades cap a la terra, de manera que s'espera poder detectar l'heliopausa del sistema solar en un futur proper.

I ara sí, us deixo els enllaços al canal de la NASA a Soundcloud, concretament a les llistes de reproducció corresponents que inclouen:

- Sons de la Terra
- Salutacions a l'univers

Les ones gravitacionals podrien demostrar que els forats negres no existeixen

Les ones gravitacionals podrien demostrar que els forats negres no existeixen sinó que són boles de cordes.

Segons alguns càlculs de la teoria de les supercordes, els forats negres no existeixen, sinó que es formarien objectes amb propietats similars anomenats "Boles de pelussa, o en anglès conegudes com a "fuzzballs". Aquestes boles difuses de supercordes tindrien signatures particulars en forma d'ones gravitacionals durant les col·lisions d'estrelles que erròniament pensem que són autèntics forats negres.

Clic a la imatge per engrandir. Imatge d'un artista que mostra l'origen del senyal observat pels detectors d'ones gravitacionals LIGO i VIRGO el 21 de maig de 2019 (GW190521). Devia ser una col·lisió de forats negres. Crèdit: Mark Myers, ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav).

Entrevista: com mesurar les ones gravitatòries?  Les ones gravitatòries són distorsions de l'espai-temps predites per Einstein. Seria possible mesurar-los amb les eines adequades. L'editor literari Dunod va entrevistar Pierre Binétruy, professor del laboratori d'Astropartícules i Cosmologia de la Universitat Diderot de París, per saber més sobre aquestes ones misterioses i com podríem detectar-les (en francés).

Des de la detecció de les ones gravitacionals l'any 2015 i en menor grau gràcies a les imatges de la col·laboració del Telescopi Event Horizon, es podria creure que l'existència de forats negres és un fet provat. Ho podem pensar, però encara no podem afirmar-ho i una publicació recent a la famosa i reconeguda revista Physical Review D aporta aigua al molí d'aquells que pensen que no només els forats negres no existeixen sinó que aviat serà possible demostrar-ho. gràcies a l'astronomia gravitacional i als avenços en detectors com LIGO i VIRGO.

L'article sobre aquest tema prové d'un equip de físics amb seu a la Universitat de Roma “La Sapienza”, la principal universitat italiana, i és de lliure accés a arXiv. Per entendre de què va tot això, tornem a principis dels anys vuitanta, quan el que s'anomenava l'època daurada de la teoria del forat negre estava arribant a la seva fi, i les teories de la supergravetat i, en menor mesura, les supercordes estaven en auge.

Després del seu impressionant treball en astrofísica, Subrahmanyan Chandrasekharva ser guardonat amb el Premi Nobel de Física l'any 1983. Com és habitual per al lliurament d'aquest premi, el guardonat va fer una conferència. Al final de la del gran astrofísic indi, trobem observacions fascinants sobre la teoria matemàtica dels forats negres, que són aproximadament les que venen a continuació del vídeo.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. Subramanyan Chandrasekhar rebent la seva medalla i diploma durant la cerimònia del Premi Nobel a la Sala de Concerts d'Estocolm, Suècia, el 10 de desembre de 1983. Crèdit: Nobel Prize.

"No sé si la importància total del que vaig dir està clara. Deixi'm explicar. Els forats negres són objectes macroscòpics amb masses que varien des d'unes poques masses solars fins a milers de milions de masses solars. Quan es poden considerar estacionaris i aïllats, tots, cadascun d'ells, es descriuen exactament per la solució de Kerr. Aquest és l'únic cas conegut en què tenim una descripció exacta d'un objecte macroscòpic.

Els objectes macroscòpics que ens envolten estan governats per una varietat de forces, descrites per diverses aproximacions de diverses teories físiques.

D'altra banda, els únics elements de construcció dels forats negres són els nostres conceptes bàsics d'espai i temps. Són, doncs, gairebé per definició, els objectes macroscòpics més perfectes de l'Univers. I com que la teoria de la relativitat general ens proporciona una família de solucions que només depenen de dos paràmetres per a la seva descripció, també són els objectes més simples de l'Univers".

Aquesta senzilla observació és a l'arrel de la famosa paradoxa de la informació sorgida del descobriment de Stephen Hawking de la famosa radiació quàntica dels forats negres.

De fet, les observacions de Chandrasekhar es refereixen a la teoria dels forats negres deduïda rigorosament de la teoria de la relativitat general d'Einstein. Com Hawking i un altre Premi Nobel de Física, Roger Penrose demostraran abundantment amb els seus col·legues, en el marc d'aquesta teoria hem de considerar que el que defineix un forat negre és només l'existència d'un horitzó d'esdeveniments i absolutament no l'existència d'una singularitat de l'espai-temps. Aquest horitzó d'esdeveniments és una superfície tancada que constitueix una frontera que envolta una regió de la qual només es pot entrar i no sortir mai, perquè per fer-ho caldria superar la velocitat de la llum. De vegades es descriu com una membrana que només es pot travessar en una direcció i com totes les membranes és de fet un objecte dinàmic que pot vibrar, deformar-se, estirar però que tindria la particularitat de no poder-se trencar mai.

L'entropia i la teoria paradoxal de la informació dels forats negres

Però segons els càlculs de Hawking, descrivint quànticament el comportament de la llum i la matèria al voltant d'un forat negre, aquests objectes molt compactes començarien a irradiar com ho faria un cos escalfat, més precisament el que anomenem cos negre. Tanmateix, segons la teoria de la termodinàmica aquesta radiació implica que un forat negre té una quantitat anomenada entropia. En tots els sistemes físics coneguts, una gran entropia s'associa a un objecte molt complex en el sentit que està formada per partícules molt nombroses descrites per un nombre molt gran de paràmetres i per a les quals hauria de disposar d'una gran quantitat d'informació per caracteritzar-les. Quan un gas cau en un forat negre, aquesta informació ja no està disponible per a un observador extern. També és impossible, per les mateixes raons, comunicar-se amb una sonda que travessaria l'horitzó i disposar d'informació valuosa sobre el que veuria aquesta sonda, ja que no podria enviar ones de ràdio  fora del forat negre a més, qualsevol informació continguda només en la memòria de aquesta sonda es perdria irremeiablement ja que no es pot comunicar fora del forat negre.

A la pràctica, doncs, ja que la definició d'informació i entropia donada a partir del treball de Claude Shannon i John von Neumann, la pèrdua d'informació generada per l'horitzó d'esdeveniments dóna lloc a l'entropia. Hawking, en particular, havia demostrat abans del seu descobriment de la radiació dels forats negres que la superfície de l'horitzó d'esdeveniments ha d'augmentar quan un forat negre s'empassa alguna cosa i això d'acord amb la llei del creixement de l'entropia de la termodinàmica si se identificar el valor de l'entropia d'un forat negre com el producte de la superfície del seu horitzó per una constant de proporcionalitat adequada.

Tenint en compte les declaracions de Chandrasekhar, immediatament s'entén que alguna cosa no funciona. Els forats negres es caracteritzen rigorosament per un nombre reduït de paràmetres, massa, moment cinètic i la càrrega, independentment del fet que l'objecte d'una massa determinada que hi cauria sigui un bloc de ferro o un llibre amb molta més informació.

Com a resultat, els forats negres no haurien de poder contenir molta informació i part d'ella no s'amagaria, sinó que es destruiria, o almenys això és el que es podria deduir ingènuament a primera vista, de manera que els forats negres no haurien de ser capaços de poder ser dotats d'una forta entropia d'una manera coherent amb els principis fonamentals de la física coneguda, al contrari del que impliquen les lleis de la termodinàmica i la mecànica quàntica aplicada a aquests objectes, a partir de la teoria de la relativitat general d'Einstein.

Ens trobem, doncs, davant d'una paradoxa que és precisament la de la informació amb forats negres. Hauria d'existir paràmetres amagats en un nombre molt gran darrere del petit nombre de paràmetres que descriuen un forat negre i les solucions de la teoria d'Einstein només serien descripcions artificialment simplificades d'un sistema físic que podria contenir tants graus de llibertat (posicions i velocitats de partícules) que un gas com diuen els físics en el seu argot. Per tant, els forats negres no haurien de ser objectes perfectament "llisos" i simples de la mateixa manera que la Terra no és una esfera de matèria perfectament esfèrica formada per un material senzill i coherent.

Durant gairebé una dècada, l'estudi d'aquesta paradoxa ha donat lloc a nous problemes, un dels quals va ser descobert per Ahmed Almheiri, Donald Marolf, Joseph Polchinski i James Sully. Es coneix com el "tallafoc» (firewall en anglès).

N'hi ha prou amb saber que una de les solucions a aquesta paradoxa és admetre que els forats negres sí que es comporten en moltes situacions astrofísiques i físiques com si a la pràctica tinguessin un horitzó d'esdeveniments, però això en l'absolut no és cert. Un horitzó d'esdeveniments només seria el que anomenem en física un concepte efectiu i no fonamental, de la mateixa manera que és pràctic considerar que l'aigua o l'aire són fluids continus que permeten càlculs amb les equacions de Navier-Stokes, mentre que en realitat sabem bé que estan formats de molècules.

Un gas de supercordes autogravitant

Sovint s'ha argumentat que una teoria quàntica de la gravitació i el seu acoblament a la matèria permetria resoldre totes les preguntes que queden sense resposta amb els forats negres, en particular eliminant les singularitats al cor de les solucions del forat negre conegudes a la relativitat general. Durant anys els físics i, en particular, Samir Mathur, de la Universitat Estatal d'Ohio, han argumentat que aquest ha de ser realment el cas utilitzant la teoria de supercordes que implicaria que més enllà de l'etapa de col·lapse de l'estrella de neutrons convertint-se en un forat negre, l'objecte una mica més compacte format seria de fet una bola de supercordes anomenada Bola de pelussa, una teoria que li devem precisament a Samir Mathur.

Si suposem que les partícules de matèria i fins i tot totes les partícules quàntiques fonamentals, gluons i bosons de Brout-Englert-Higgs inclòs, són supercordes vibrants, aleshores els càlculs mostren que la matèria d'una estrella que s'esfondra indefensament per sota de l'horitzó d'esdeveniments associat amb el forat negre en què sembla convertir-se no hauria d'acabar per sota de la forma d'un punt de densitat infinita a el lloc on l'espai-temps mateix és aniquilat segons la teoria no quàntica d'Einstein, al cor d'un forat negre. Les supercadenes quàntiques s'estirarien i s'allargarien fins al punt de formar una mena de gas quàntic difús ocupant tot el volum dins d'un horitzó d'esdeveniments que només seria efectiu, una mica com els que tenen lloc a la superfície del Sol.

Però, com provar aquesta teoria?

Clic a la imatge per engrandir. El treball més famós del físic indi, CV Vishveshwara (1938-2017), és el descobriment dels modes quasi-normals dels forats negres. El 1970 va demostrar que un forat negre de Schwarzschild pertorbat per un pols de radiació gravitatòria tornarà al seu estat original emetent ones gravitatòries d'una forma característica determinada pel que s'anomenen modes quasi-normals. Les freqüències (complexes) d'aquests modes quasi-normals per als forats negres de Schwarzschild són independents de la forma d'aquesta pertorbació i es caracteritzen completament per la massa del forat negre. Més tard, aquest resultat es va generalitzar al cas dels forats negres Kerren en rotació. Els modes quasi-normals són aleshores funcions de la massa i del moment angular propi, l'espín, del forat negre. L'observació de modes quasi-normals es considera una manera d'establir l'existència de forats negres. Crèdit: International Centre for Theoretical Sciences, Bengaluru.

Modes quasi-normals característics dels forats negres

El senyal de les ones gravitacionals detectades per LIGO i VIRGO sobre col·lisions de forats negres ja era un argument fort a favor de l'existència de forats negres en la teoria de la relativitat general, però encara no és del tot concloent a dia d'avui. De fet, el que realment estem intentant destacar, ja que aquests detectors, i d'altres com el KAGRA, augmenten de sensibilitat és el que anomenem modes quasi-normals de l'horitzó d'esdeveniments dels forats negres i ja tenim pistes en aquesta direcció.

Els modes quasi-normals ja es coneixen en la física clàssica com a campanes que es toquen. Es produeix un so que s'esmorteix amb el temps i aquest so es pot dividir en diverses freqüències i ones elementals particulars, anàlogues als modes normals que componen una corda vibrant sense amortiment notable. Aquests modes quasi-normals constitueixen una mena de targetes d'identitat espectrals d'un forat negre en l'espai-temps corbat igual que l'espectre brillant d'elements per a la composició de l'atmosfera de l'estrelles.

Tanmateix, com hem dit, un horitzó d'esdeveniments pot comportar-se com una membrana vibrant i, per tant, en teoria és possible demostrar l'existència d'aquesta membrana amb els seus modes de vibració propis, quasi-normals, mitjançant l'anàlisi del senyal gravitacional d'una col·lisió d'un forat negre. És una mica com escoltar el "so" del forat negre i comprovar que es comporta com el que esperaries que faci un forat negre.

En l'article que es ve publicar, donada la complexitat dels càlculs amb la teoria de les boles de pelussa, els investigadors van voler fer una prova més senzilla sobre la col·lisió de dues d'aquestes boles de corda i tenir una idea del senyal gravitatori produït. Van fer simulacions numèriques pel que fa al comportament d'un espai-temps descrit per una teoria de supergravetat en quatre dimensions anomenades tipus N=2 i capturant la geometria d'una solució de tipus bola de pelussa per al que seria un forat negre eficaç pertorbat externament.

Aleshores, els càlculs mostren que inicialment el senyal obtingut és similar al dels modes quasi-normals d'un forat negre recentment format per la fusió de dos forats negres en col·lisió, però al cap d'un cert temps el senyal ja no inclou els modes que descriuen un horitzó i, per tant, delata el fet que només és efectiu. Com a avantatge, els mateixos càlculs mostren que també podríem destacar els ecos gravitacionals, un fenomen descrit anteriorment, i que vindrien aquí de les ones gravitacionals que es propaguen dins de la bola de supercordes.

Segons els investigadors, LIGO i VIRGO algun dia haurien de ser capaços de detectar aquest senyal.

Ho he vist aquí.

Les ones gravitacionals confirmen que Stephen Hawking tenia raó sobre els forats negres!

Clic a la imatge per engrandir. Aquesta obra d'art imagina un seient a primera fila per veure GW250114, una potent col·lisió entre dos forats negres observada per LIGO, la Fundació Nacional de Ciències dels Estats Units. Representa la vista des d'un dels forats negres mentre gira en espiral cap al seu company còsmic. Deu anys després de la històrica detecció d'ones gravitacionals per part de LIGO, els detectors actualitzats de l'observatori li van permetre "sentir" aquesta col·lisió celestial amb una claredat sense precedents. Les dades de les ones gravitacionals van permetre als científics distingir múltiples sons subtils que ressonaven com una campana còsmica a través de l'Univers (imaginats aquí com a fils musicals entrellaçats que giren en espiral cap al centre). Tot i que només LIGO estava en línia durant GW250114, ara opera regularment en xarxa amb altres detectors d'ones gravitacionals, com ara VIRGO a Europa i Kagra al Japó. Crèdit: Aurore Simonnet (SSU/EdEon)/LVK/URI.

Existeixen realment els forats negres que s'han fet famosos gràcies a les obres i la recerca de Stephen Hawking? L'astronomia d'ones gravitacionals celebra el setembre del 2025 deu anys d'èxit des dels seus inicis. S'acaben d'anunciar dos nous resultats fascinants en aquest camp!

Recordeu, fa 10 anys, el descobriment d'una font d'ones gravitacionals que va impactar sobre la Terra el 14 de setembre de 2015, va obrir una nova era en l'astronomia.

Anomenada GW150914 (GW per a  ona gravitacional, i 150914 per a la data d'observació, 14 de setembre de 2015), correspon a la primera detecció directa a la Terra d'ones gravitacionals produïdes per una col·lisió seguida d'una fusió de dos forats negres estel·lars. Part de la massa total dels dos objectes (cadascun contenia unes 30 vegades la massa del Sol) s'havia convertit en ones gravitacionals que alliberaven en menys d'un segon 50 vegades més energia que totes les estrelles de l'Univers observable.

Si hagués estat en forma electromagnètica, GW150914 hauria aparegut més brillant al nostre cel que la lluna plena, tot i que aquesta font es troba a 1.300 milions d'anys de distància anys llum aproximadament.

Una presentació en vídeo de Virgo i la caça d'ones gravitacionals. Crèdit: CNRS.

Einstein havia predit l'existència d'un anàleg de les ones de llum en forma de vibracions i deformacions dinàmiques del teixit de l'espai-temps, corba de la seva teoria de la relativitat general en articles publicats inicialment entre 1916 i 1918. Però aquesta existència va ser posteriorment qüestionada. La primera demostració matemàtica de l'existència d'ones d'Einstein en la seva teoria va ser finalment feta per Yvonne Choquet-Bruhat a principis dels anys cinquanta. Però curiosament, calia esperar als arguments de físics avançats en particular de Richard Feynman i Hermann Bondi el 1957, per convèncer la comunitat científica.

Tanmateix, quedava detectar aquestes ones i això ja era una altra qüestió. Va caldre la feina de pioners com Kip Thorne, Thibault Damour, Alain Brillet i els difunts Rainer Weiss, Vladimir Braginsky i Ron Drever per arribar-hi, juntament amb milers de col·legues que estan darrere dels detectors d'ones gravitacionals que operen com a interferòmetres i utilitzant raigs làser als Estats Units, que tenen LIGO; a Europa, hi ha VIRGO; a Kamioka, prefectura de Gifu, Japó, hi ha KAGRA.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. En aquest vídeo, diversos membres clau de la col·laboració LIGO, que inclou investigadors de Caltech i MIT, parlen sobre el descobriment de les ones gravitacionals. Entre ells hi ha Kip Thorne, el teòric, i Rainer Weiss, l'experimentador que hi ha darrere de LIGO. Crèdit: Caltech, YouTube.

Els membres combinats del que es podria anomenar la col·laboració LVK (LIGO, VIRGO, KAGRA) han anunciat recentment que caldrà una dècada de millora d'aquests detectors per fer-los més sensibles i progressar en les tècniques d'anàlisi dels senyals observats, sobretot gràcies a la IA, els havia permès obtenir resultats espectaculars. Aquests avenços es refereixen a una font detectada el 2025, força similar a la del 2015, és a dir, una col·lisió de dos forats negres que contenien unes quantes desenes de masses solars cadascun i anomenada GW250114.

Aquest treball es presenta en un article publicat a Physical Review Letters, una versió d'accés obert del qual també existeix a arXiv.

Els forats negres tenen entropia?

Per fer una breu presentació d'aquests resultats, cal saber que des de la dècada del 1960 fins a la del 1970 el concepte modern de forat negre i els seus desenvolupaments van conduir a l'admissió que els forats negres es poden formar mitjançant col·lapse de les forces gravitacionals de les estrelles havien de ser descrites exactament mitjançant una solució d'equacions de la relativitat general d'Einstein, descoberta el 1963 pel matemàtic neozelandès Roy Kerr.

Però no podíem estar segurs que els forats negres existissin realment. Els objectes que semblaven ser forats negres potser simplement eren una mica...exòtics i molt densos, però no realment forats negres. Però com saber-ho, sobretot tenint en compte que érem ben conscients que hi ha alternatives a la teoria d'Einstein com a teoria relativista de gravitació amb un espai-temps corbat?

Stephen Hawking havia demostrat, però, en un article publicat el 1971 que, dins del marc de la teoria d'Einstein, si poguéssim tenir fusions de forats negres, mai no podríem tenir divisions d'un forat negre en diversos. Millor encara, la fusió de dos forats negres hauria de donar un nou forat negre, la superfície de l'horitzó d'esdeveniments (una superfície fictícia que es comporta com una bombolla que envolta una regió que constitueix un forat negre i que teòricament només es pot travessar en una direcció, la que porta a entrar en un forat negre) havia de ser més gran que la suma de les superfícies dels horitzons dels dos forats negres anteriors.

El 1972, mentre pensava en les possibles connexions entre la física dels forats negres i la noció d'entropia en termodinàmica mitjançant la noció d'entropia estadística de Shannon - Von Neumann vinculada a la teoria de la informació i seguint el suggeriment de John Wheeler, el físic Jacob Bekenstein va deduir que l'horitzó d'esdeveniments d'un forat negre mesurava la pèrdua d'informació sobre un objecte que entrava en un forat negre per a un observador extern. Per tant, podríem parlar de l'entropia d'un forat negre en relació amb la mida de la superfície de l'horitzó. Millor, el teorema de la teoria de Hawking sobre el creixement de l'àrea d'un forat negre va ser finalment interpretable com una manifestació de la famosa segona llei de la termodinàmica amb la seva llei del creixement de l'entropia.

Clic a la imatge per engrandir. Crèdit: X, Physical Review Letters.

Hawking tenia motius per creure que això era fals. Amb els seus col·legues Brandon Carter i James Bardeen, finalment va aprofitar el 1972 una sessió a la famosa escola Les Houches fundada per Cécile-DeWitt Morette per desenvolupar la seva teoria amb creixement d'àrea, tot argumentant que no es podia interpretar com pretenia Bekenstein. En això, s'equivocava, com descobriria quan descobrís la seva famosa teoria de la radiació quàntica dels forats negres.

Resulta que avui dia les anàlisis del senyal de GW250114 (a més a més molt millor detectat que fa 10 anys) s'han tornat molt més precises en comparació amb les del senyal de GW150914 que astrofísics van poder veure que el teorema de Hawking estava perfectament verificat!

Però hi ha més. Quan dos forats negres es fusionen, l'objecte resultant encara no està en la seva forma estable; el seu horitzó es deforma i vibra com la superfície d'una campana tocada. Per assolir la seva forma estable, és a dir, la descrita per la solució de Kerr per a un forat negre en rotació, ha d'emetre ones gravitacionals que continguin harmònics fonamentals (anomenats "tons" en anglès) i els seus múltiples per enters (anomenats "overtones" en anglès). Matemàticament, en l'argot dels físics, tenim en certa manera la descomposició de Fourier dels espectre d'ones dels factors exp (-at) d'amortiment  de l'amplitud de l'ona amb termes harmònics de la forma exp (ibt).

Resulta que l'existència d'un forat negre real descrit per la solució de Kerr prediu els factors i constants anteriors. Certament depenen de la massa i del moment angular descrivint la rotació del forat negre pertorbat amb vibracions d'amortiment, però són característiques de la presència d'aquest tipus de forat negre.

Aquí teniu el resultat més espectacular. Per primera vegada, alguns dels harmònics de la teoria s'han demostrat fermament. Això reforça la nostra confiança en la teoria dels forats negres basada en les equacions d'Einstein i, per tant, indirectament també amb el resultat sobre l'àrea, la nostra confiança en la teoria de Bekenstein i Hawking de l'entropia dels forats negres.

Ara teniu una presentació més tècnica i detallada del que hi ha darrere dels resultats relacionats amb l'espectre de la radiació d'ones gravitacionals en  relació amb l'horitzó d'esdeveniments en el senyal de GW250114.

Clic a la imatge per engrandir. Tullio Regge (1931-2014) va ser un físic teòric italià. És responsable d'una important tasca en física de partícules elementals (pols de Regge) i relativitat general. Va ser un dels pioners d'un enfocament quàntic de la gravetat (càlcul de Regge), que més tard es vincularia a la teoria de la gravetat quàntica de bucles. Amb John Wheeler, va establir les bases de la teoria de pertorbacions dels forats negres de Schwarzschild, que conduiria al descobriment dels seus modes quasi normals. Crèdit: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Forats negres que vibren quan xoquen

Els físics i matemàtics relativistes defineixen els forats negres només com a objectes que ocupen una regió tancada de l'espai-temps de la qual res no pot escapar a causa de la naturalesa finita de la velocitat de la llum: l'horitzó d'esdeveniments. És la presència d'aquest horitzó, i res més, el que defineix un forat negre, ni tan sols la presència d'una singularitat amb densitat i curvatura infinita de l'espai-temps al seu centre, cosa que, a més, és dubtosa a causa dels efectes quàntics.

Van demostrar a partir d'aquesta definició que només existeix una família de solucions necessàriament rigorosament exactes a les equacions d'Einstein que descriuen un forat negre. Aquesta família depèn només de la massa, el moment angular i, possiblement, de les càrregues elèctriques o fins i tot magnètiques de les partícules absorbides i res més. Aquest és el teorema de la unicitat dels forats negres, més sovint conegut com el teorema de la calvície per als forats negres, en anglès el famós "no-hair theorem".

Concretament, al camp de l'astrofísica on totes les estrelles giren i on naturalment esperem la formació de forats negres, els més simples no tenen rotació i només tenen massa, els forats negres de Schwarzschild; i els més realistes també giren, els forats negres de Kerr.

En teoria, no recorden les diferents característiques dels objectes de la mateixa massa i moment angular que cauen en aquestes regions particulars de l'espai-temps. En particular, oblidem els nombres quàntics normalment conservats i associats amb barions i leptons, que potser encara juga un paper misteriós en la solució de l'enigma de l'absència d'antimatèria en cosmologia.

La superfície de l'horitzó d'esdeveniments d'un forat negre, ja sigui de Schwarzschild o de Kerr, és perfectament llisa i esfèrica (d'aquí la relació amb el terme calvície), però es deforma temporalment, tornant-se irregular quan un forat negre absorbeix un objecte, per exemple un asteroide, o durant una col·lisió amb un altre forat negre.

Clic a la imatge per engrandir. L'obra més famosa del físic indi CV Vishveshwara (1938–2017) és el descobriment dels modes quasi normals en els forats negres. El 1970, va demostrar que un forat negre de Schwarzschild pertorbat per un pols de radiació gravitacional tornarà al seu estat original emetent ones gravitacionals d'una forma característica determinada pel que s'anomena modes quasi normals. Les freqüències (complexes) d'aquests modes quasi normals per als forats negres de Schwarzschild són independents de la forma d'aquesta pertorbació i es caracteritzen completament per la massa del forat negre. Més tard, aquest resultat es va generalitzar al cas dels forats negres de Kerr en rotació. Els modes quasi normals són aleshores funcions de la massa i del moment angular propi, l'espín, del forat negre. L'observació dels modes quasi normals es considera un mitjà per establir l'existència de forats negres. Crèdit: International Centre for Theoretical Sciences, Bengaluru.

Modes quasi normals característics dels forats negres

Aquesta última situació és molt interessant perquè la col·lisió i la fusió de dos forats negres en forma un altre. Aquest forat negre recentment format, de nou, no té un horitzó d'esdeveniments regular. Les equacions d'Einstein són doncs formals, això no pot durar i, molt ràpidament, la superfície de l'horitzó vibra com ho faria una campana sota l'efecte d'un cop.

Existeixen aleshores, el que s'anomena en ambdós casos, modes quasi normals per a aquestes vibracions que s'esmorteiran, sota l'efecte de l'emissió d'ones gravitacionals en els primers casos, i amb emissions sonores per a una campana. L'efecte d'amortiment farà que el forat negre, després d'una fusió, prengui la forma exacta descrita per la famosa mètrica de Kerr per a un forat negre sense càrregues giratòries.

Com que aquests modes quasi normals tenen freqüències determinades per la teoria dels forats negres, fixat per la massa i l'espin del forat negre final, fent que el seu descobriment en l'espectre de les ones gravitacionals seria una prova molt convincent de l'existència d'un horitzó d'esdeveniments i, per tant, de l'existència de forats negres... però amb la condició que les freqüències trobades (altres astres compactes amb modes quasi normals sense horitzons d'esdeveniments són possibles) són precisament els que es dedueixen de les solucions pertorbades que descriuen els forats negres.

Clic a la imatge per engrandir. Saul A. Teukolsky (1947-) és un astrofísic relativista d'origen sud-africà especialitzat en la resolució numèrica de les equacions d'Einstein aplicades a la física dels forats negres i les estrelles de neutrons, en particular amb el fenomen de l'emissió d'ones gravitacionals, les formes de les quals modela per a la detecció amb instruments com LIGO i VIRGO. També és conegut pel seu treball sobre les pertorbacions de la solució de Kerr per a forats negres en rotació, mentre completava la seva tesi sota la supervisió del guanyador del Premi Nobel Kip Thorne. Crèdit: 2019 Universitat Cornell.

Recordem que les equacions de la teoria de la relativitat general no són lineals. Per tant, són molt més difícils de resoldre que en el cas de les equacions lineals i de vegades requereixen l'ús de simulacions numèriques en ordinador. Aquest no és un cas únic, les equacions de Navier-Stokes en mecànica de fluids, també no lineals, es poden utilitzar per exemple analíticament per descriure el moviment de petites ones a la superfície de l'aigua. Aleshores es pot aplicar el mètode de pertorbació, un mètode que també s'ha aplicat en el règim lineal per descriure com es comporten els forats negres quan estan sotmesos a efectes de baixa intensitat. Però en altres situacions, l'ús d'un ordinador esdevé necessari.

L'estudi dels modes quasi normals és un tema de recerca important perquè s'han proposat alternatives als forats negres, com ara els gravastars, per explicar objectes observats en astrofísica, com ara Sgr A* o M 87* , que semblen comportar-se com a forats negres fins a cert punt.

És precisament, en part, en un intent de posar fi al debat sobre l'existència real dels forats negres que es van dissenyar i llançar els projectes de detectors d'ones gravitacionals LIGO, VIRGO i eLisa.

Per saber-ne més

El britànic John Michell (1783) i el francès Pierre-Simon de Laplace (1796) van preveure el concepte de forat negre ja a finals del segle XVIII quan consideraven la velocitat d'escapament màxima d'un cos d'una massa i un radi determinats. La qüestió era natural perquè, en aquell moment, el model corpuscular dominava la concepció de la llum i també se sospitava que la matèria estava feta de partícules. Si la velocitat d'escapament d'un cos d'aquest tipus superava la velocitat de la llum, per tant, necessàriament havia de ser perfectament negre perquè cap radiació no en podia escapar.

La idea només tornaria a la vida durant la segona meitat del segle XX, amb el descobriment de la teoria de la relativitat general i el de la famosa solució de Schwarzschild, la naturalesa física de la qual, així com l'estructura matemàtica, només es va començar a comprendre durant les dècades del 1950 i del 1960. L'aparició de la teoria ondulatòria moderna de la llum, després del treball de Young, Fresnel i, per descomptat, Maxwell al segle XIX, no implicava de fet cap acció de la gravitació sobre la llum, a diferència de les partícules de llum de Newton que descrivien trajectòries en forma de raigs de llum segons lleis anàlogues a les de les partícules materials.

Igual que Einstein i altres, el físic John Wheeler es va mostrar inicialment escèptic sobre l'existència del que ell mateix va anomenar un forat negre el 1967 i que estava implícit en la solució de Schwarzschild. Va canviar d'opinió a principis dels anys seixanta i, amb els seus col·laboradors, es va unir a l'escola britànica dirigida per un antic estudiant de doctorat de Paul Dirac, Denis Sciama, i els seus estudiants (Roger Penrose i Stephen Hawking ), així com a l'escola russa dirigida per Yakov Zeldovich i Igor Novikov, en l'exploració de la teoria dels forats negres durant el període comprès entre 1963 i 1973, un període anomenat des de llavors l'edat d'or de la teoria dels forats negres. Es pot rastrejar des del descobriment de la solució de Kerr que descriu un forat negre en rotació fins al descobriment de la radiació dels forats negres per Hawking.

Ho he vist aquí.