¿Por qué existen las cosas?: fermiones, bosones y el misterioso espín

A pesar de la dificultad de su comprensión, la física cuántica llega a explicar muchos misterios básicos de la naturaleza, como el hecho de que existan fuerzas atractivas. Veremos en esta entrada que la cuántica también explica por qué determinadas partículas pueden formar estructuras en el espacio, estructuras que llamamos 'materia'.

La materia que conocemos en cualquiera de sus estados (sólido, líquido, gaseoso y plasma) está formada por átomos (o por iones, que son átomos sin algunos de sus electrones). Las moléculas y las estructuras cristalinas se forman con estos componentes atómicos/iónicos.

Desde antiguo se ha reconocido que la materia tiene una propiedad esencial, no por obvia menos importante: es impenetrable. Dos cuerpos materiales no pueden ocupar el mismo espacio. Las moléculas no se dejan penetrar por otras moléculas, y los átomos, a pesar de estar prácticamente vacíos, no se comprimen como una esponja para ocupar su vacío interno.

Solamente en condiciones extremas de gravedad (en las estrellas de neutrones y agujeros negros), las partículas subatómicas se recombinan para ocupar un espacio mucho más pequeño.

Sin la impenetrabilidad de átomos y moléculas, no tendríamos estructuras sobre las que podríamos existir (estrellas, planetas), ni existiría el agua, la tierra y seres vivos, en definitiva, no existirían las 'cosas' que se pueden ver y tocar: todo lo que tendríamos sería un baño de radiación con partículas que se entrecruzan entre sí sin molestarse, como los rayos de luz que pasan unos a través de otros sin chocar jamás. La vida no sería posible en un universo así, pues no se formaría ninguna estructura capaz de reproducirse.

Pero, ¿cuál es la razón de que las partículas de materia no puedan entrecruzarse igual que la luz? Al fin y al cabo, sabemos hoy que las partículas son ondas igual que la radiación electromagnética. ¿Qué es lo que mantiene separadas las partículas de materia, incluso cuando hay fuerzas que las atraen?

El principio de exclusión de Pauli

A principios del siglo XX, Ernest Rutherford comenzó a desentrañar la estructura atómica, descubriendo que había un núcleo cargado positivamente y una nube de electrones que giraban alrededor. Los electrones, con carga eléctrica negativa, eran atraídos hacia el núcleo positivo por la fuerza electromagnética.

Sin embargo, este modelo atómico planteaba muchos problemas, no explicaba:

• Por qué los electrones no caen hacia el núcleo (según el electromagnetismo clásico, debían perder energía y dejarse arrastrar por la atracción del núcleo positivo)
• Por qué los electrones no se agolpan todos en la misma órbita, sino que se sitúan a distancias muy determinadas, colocándose en capas. Los electrones pueden saltar de una capa a otra emitiendo o absorbiendo la diferencia de energía en forma de fotón (luz)

Niels Bohr modificó el modelo de Rutherford para acomodar estas órbitas fijas de los electrones. Las órbitas se van llenando progresivamente, lo cual explica las propiedades químicas de combinación de los elementos.

Pero Bohr se limitó a admitir sin más la existencia de órbitas fijas con una determinada capacidad de contener electrones, sin demostrar por qué existía este límite en la capacidad.

La explicación a los postulados de Bohr apareció con el nacimiento de una nueva física: la mecánica cuántica. Erwin Schrödinger desarrolló en 1925 las ecuaciones que explicaban que las partículas se comportan en realidad como ondas de probabilidad (ver esta entrada para una introducción a la dualidad onda-partícula y el significado de la función de onda).

En el modelo atómico de Schrödinger, que es básicamente el admitido hoy en día, los electrones pasan a ser 'nubes' de cierta densidad que se acomodan en ciertas regiones alrededor de los átomos llamadas orbitales. Estos orbitales son las únicas soluciones posibles a las ecuaciones ondulatorias de Schrödinger y esto explica por qué las partículas eléctricas no pueden situarse en otras órbitas. 

Sin embargo, las ecuaciones de Schrödinger no explicaban porqué en cada orbital solamente pueden situarse uno o dos electrones, pero no más. 

Para solucionar este 'agujero' del modelo, Wolfgang Ernst Pauli enunció el mismo año (1925) su Principio de Exclusión. Propuso que dos partículas de 'materia' como los electrones no pueden tener nunca el mismo estado cuántico, es decir, no pueden tener la misma función de onda. Los electrones, aunque sean nubes de probabilidad, deben ser impenetrables.

El mismo año 1925 se propuso que los electrones deben tener una propiedad, no detectada hasta entonces, llamada espín (spin en inglés), y pueden estar en dos estados: con espín +1/2 o espín -1/2. Estos dos estados suelen representarse simbólicamente mediante una flecha hacia arriba o hacia abajo.

Gracia a la posibilidad de tener diferente espín, en cada orbital atómico pueden situarse dos electrones, uno con espín positivo y otro negativo (por tanto no tienen exactamente el mismo estado cuántico y no les afecta la exclusión de Pauli). Pero ya no caben más variaciones en ese orbital, por lo cual otros electrones tienen que situarse en orbitales diferentes.

Fermiones y bosones

Pronto se vio que las demás partículas de 'materia' como protones, neutrones, positrones, neutrinos, etc. también cumplían el principio de exclusión o 'impenetrabilidad' de Pauli. De hecho es por eso que las consideramos 'materia' y que pueden construir estructuras que ocupan espacio a expensas de otras partículas de materia.

Todas estas partículas 'impenetrables' tienen una característica común: su espín no es entero, sino fraccionario, y se llaman fermiones. Los fermiones se agrupan en varias familias donde se encuentran tanto los ligeros leptones (electrones y neutrinos entre ellos) como los más pesados quarks, que forman protones, neutrones y otras partículas más exóticas.

Por otro lado, se vio que las demás partículas/ondas conocidas, las que no cumplen el principio de exclusión, tienen un valor de espín entero (0, 1, 2...). Son los llamados bosones.

Podríamos decir que los fermiones tienen un 'espacio personal' en el que no les gusta que entren otros fermiones, mientras que los bosones son como 'fantasmas' gregarios a los que les da igual atravesarse y amontonarse.

¿Que papel juegan los bosones? Aunque no pueden formar estructuras, los bosones interactúan con los fermiones, llevando energía de unos a otros, es decir, son los intermediarios de las cuatro fuerzas fundamentales de las que se derivan todas las que observamos en la naturaleza; aunque el modelo cuántico de la gravedad, basado en un hipotético bosón llamado gravitón, aún está por comprobar.

Esta reducción de las formas de materia y fuerza a unas pocas familias de partículas conforma el llamado modelo estándar, que se ha visto vindicado por el descubrimiento largamente anunciado del bosón de Higgs, una partícula que interactúa con las demás partículas para dotarlas de masa.

Por cierto, que algún genio del humor ha tenido la idea de eliminar los bosones de Higgs para conseguir la ansiada pérdida de peso (ja, ja).

También resulta tentador pensar que podrían existir tipos desconocidos de bosones que no interactuarían con la materia, que no serían portadores de ninguna fuerza en particular, y que por tanto podrían llenar el espacio en grandes cantidades sin otro efecto que su atracción gravitatoria. En otras palabras, podrían formar la llamada materia oscura que constituye el 23% de la masa-energía del universo.

Pero, volviendo a nuestro tema, ¿por qué esa misteriosa propiedad del espín tiene un efecto tan dramático sobre la forma en que se comportan las partículas? ¿Y cuál es la causa de que dos 'nubes de probabilidad' de dos fermiones no puedan encontrarse en el mismo estado? ¿Quién o qué lo prohibe?

Aunque Pauli formuló en 1925 el principio de exclusión, salvando el modelo atómico cuántico y la estabilidad del universo  :-) no pudo demostrar entonces por qué el espín no entero de las partículas produce la 'impenetrabilidad'.

Pauli tuvo que esperar hasta el desarrollo de la Teoría Cuántica de Campos para poder demostrar en 1940 el porqué de la exclusión, probando el llamado Teorema de Estadística del Espín.

Vamos a ver de forma simplificada en qué consiste este teorema, y luego veremos por qué explica la impenetrabilidad.

El Teorema de la Estadística del Espín para principiantes

El teorema afirma que:

• Si intercambiamos entre sí dos partículas de espín semientero (fermiones), la función de onda combinada de la pareja cambia de signo.
• Si intercambiamos dos partículas de espín entero (bosones), la función de onda combinada NO cambia de signo.

Como veremos en el siguiente punto, el hecho de que la función de onda combinada cambie o no de signo es precisamente lo que causa el diferente comportamiento de bosones y fermiones respecto a la penetrabilidad.

La demostración del teorema es difícil de entender para los no iniciados (como yo), pero intentaré dar una idea.

La clave es la misteriosa propiedad del espín, que significa 'giro' en inglés, como el giro de una peonza. En la física clásica podríamos pensar en una partícula como una bolita con carga eléctrica, y la misma teoría clásica nos dice que al girar esta bola crearía un campo magnético orientado según su eje de giro, con un sentido que depende de si la bola gira 'a derechas' o 'a izquierdas' respecto al eje:

Sin embargo, esta explicación clásica no es válida para las partículas elementales, por varias razones:

• Clásicamente, el espín debería poder tomar cualquier valor, según su velocidad de giro. Sin embargo, según lo observado, las partículas elementales solo puede tener un valor determinado de espín, ni más ni menos. El espín está cuantizado. Lo único que puede cambiar es su signo, positivo o negativo.
• En la explicación clásica el espín tiene un eje definido de giro. Sin embargo, en las observaciones realizadas el eje del espín es definido por el experimento (según se orienta el campo magnético del detector) y el resultado es que el espín se orienta en el mismo sentido del campo magnético con el que se mide (valor +1/2 para un electrón) o en sentido contrario (valor -1/2), pero en ninguna otra dirección.

Por tanto el espín es una propiedad numérica intrínseca de las partículas como la carga o la masa, que puede tomar en cada caso un único valor positivo o negativo (si es diferente de cero, claro).

Lo que nos importa para el Teorema relacionado con la impenetrabilidad es que el spin tiene que ver con cómo la partícula cambia al girar, en realidad, con la forma en que su función de onda probabilística cambia cuando la partícula gira en el espacio.

Las partículas de espín entero, los bosones, aparentemente no tienen ningún misterio. Su función de probabilidad, que define todas sus propiedades, no cambia cuando la partícula da un giro completo de 360 grados. Esto parece lo más intuitivo.

Pero los fermiones, con un espín semientero, se comportan de una forma curiosa. Al dar una vuelta de 360 grados su función de onda invierte su signo. Esta inversión no tiene en sí misma un efecto observable, ya que la probabilidad de un estado viene dada por el cuadrado de la función de onda, y por tanto da igual que ésta sea positiva o negativa. Sin embargo, como veremos, la inversión tiene importantes efectos al combinarse con la función de otras partículas, igual que sucedía en las interacciones que causan las fuerzas.

Por ejemplo, para que un electrón que ha dado un giro de 360 grados vuelva a tener el mismo estado que al principio, es necesario que dé otra vuelta de 360 grados. Esto es lo que significa que su espín es 1/2. Son necesarias dos vueltas para dejarlo igual.

Esta propiedad puede parecer anti-intuitiva. Sin embargo,  podemos comprobarla en nuestra vida cotidiana, como muestra este vídeo:

La demostración con el vaso de agua apunta al hecho de que el espín semientero está relacionado con propiedades topológicas de las partículas respecto al espacio que las rodea, como si la partícula estuviera ligada o atada de alguna forma al espacio.

El físico Paul Dirac, uno de los pioneros de la física cuántica, lo explicaba suponiendo que la partícula de espín semientero estaba pegada a un cinturón. Dirac se dio cuenta que con un giro de 360 grados, la partícula se enredaba irremisiblemente, pero dando otro giro completo llegaba a un estado en el que el cinturón se podía desenredar para volver al mismo estado inicial. Esta animación lo demuestra:

Este video demuestra de forma casera el efecto restaurador de la doble vuelta, tanto con el vaso de agua como con el cinturón:

Bien, pues llegamos a la clave de la explicación del teorema. Resulta que si tenemos dos fermiones, al intercambiar uno con otro causamos el mismo efecto sobre la función de onda completa que cuando damos un giro de 360 grados a un solo fermión: el signo de la función se invierte. Sin embargo, si intercambiamos de nuevo los fermiones, dejándolos en la posición original, el enredo de su función de onda desaparece. Este vídeo lo muestra de forma gráfica:

Aunque la prueba real es mucho más complicada, vemos claramente que existe una relación entre el espín 1/2 de las partículas girando 360 grados y la forma en que se comportan al intercambiar su posición con otra partícula idéntica. En ambos casos se invierte el signo de la función de onda, y esto es lo que prueba el teorema.

Cambio de signo y exclusión

Ya solo nos queda por explicar por qué el cambio de signo en la onda de probabilidad hace que dos partículas de tipo fermión no puedan tener el mismo estado cuántico, que no puedan estar 'en el mismo sitio'. Aquí podéis seguir la demostración de manera sencilla con notación moderna. De este artículo he adaptado la siguiente explicación.

Imaginemos dos estados cuánticos (dos funciones de onda) a y b, por ejemplo, dos órbitas alrededor de un núcleo atómico, e imaginemos que estos estados pueden estar ocupados respectivamente por dos electrones Ψ1 y Ψ2:

El estado combinado, la función de onda total de los dos sería el resultado de multiplicar las funciones de los dos electrones, cada uno en su estado. Suponiendo que el electrón 1 está en el estado a y electrón 2 en el estado b:

Ψ(a,b) = Ψ1(a) Ψ2(b)

Como hemos visto en el teorema anterior, al ser partículas de espín semientero, si intercambiamos los estados a y b de cada electrón (cambiamos los electrones de órbita) la función de onda total se invertiría de signo:

Ψ(b,a) = -Ψ1(a) Ψ2(b)

Ahora consideremos la suma de ambas:

Ψ(a,b) + Ψ(b,a) = Ψ1(a) Ψ2(b) - Ψ1(a) Ψ2(b)

En el lado derecho de la igualdad estamos restando dos términos iguales, por tanto el resultado es cero:

Ψ(a,b) + Ψ(b,a) = 0

Esto nos dice que es imposible (la probabilidad es cero) que los electrones Ψ1 y Ψ2 ocupen dos estados a y b de una forma y de su inversa, al mismo tiempo. Pero si sustituimos b por a en la ecuación anterior, considerando qué pasaría si estuvieran los dos electrones en un mismo estado a, obtenemos:

Ψ(a,a) + Ψ(a,a) = 2 Ψ(a,a) = 0

Y por tanto, dividiendo por 2 a ambos lados de la segunda igualdad:

Ψ(a,a) = 0

Es decir, la probabilidad de que dos electrones estén en el mismo estado es nula: sus funciones de onda se cancelarían debido al cambio de signo asociado a su espín semientero. Como queríamos demostrar.

Para evitar esta posibilidad aparece una fuerza repulsiva, la 'impenetrabilidad', que no es realmente una interacción entre los electrones sino un efecto de la imposibilidad de combinar sus funciones de probabilidad.

Por otra parte, para los bosones tendríamos que no hay cambio de signo al invertir las posiciones, y por tanto:

Ψ(a,b) + Ψ(b,a) = Ψ1(a) Ψ2(b) + Ψ1(a) Ψ2(b) = 2 (Ψ1(a) Ψ2(b))

Y sustituyendo b por a:

Ψ(a,a) + Ψ(a,a) = 2 (Ψ1(a) Ψ2(a))   de donde

Ψ(a,a) = Ψ1(a) Ψ2(a)

Es decir, los dos bosones Ψ1 y Ψ2 pueden estar en el mismo estado a sin problema alguno.

Cambiando de identidad

Hay muchas pruebas experimentales de que el comportamiento de 'impenetrabilidad' está relacionado con el espín de las partículas. El efecto más impresionante sucede cuando al combinarse varios fermiones el espín total pasa a ser entero, y esto hace que lo que antes era materia ordinaria pase a comportarse como bosones, sin miedo a mezclarse en el mismo estado.

Por ejemplo, los protones y neutrones son combinaciones de 3 quarks de espín semientero (y por tanto la suma es también semientera), pero hay otras partículas que se forman por la combinación de un quark y un antiquark: se llaman mesones.

Según se sumen o se resten los espines 1/2 de sus dos quarks, los mesones tienen espín total 0 ó 1, y por tanto se comportan como si fueran bosones. A pesar de que tienen masa, pueden combinarse en el mismo estado. Su comportamiento gregario es un efecto de su espín entero.

Sin embargo, los comportamientos bosónicos de los mesones son difíciles de observar, porque se desintegran muy rápidamente.

Los que sí se pueden observar son los estados de condensado de Bose-Einstein, que se consideran un estado diferente de la materia (en realidad, un estado en el que la materia deja de ser materia y pasa a ser una combinación de bosones, perdiendo la resistencia a la impenetrabilidad).

Este estado se consigue al enfriar la materia a muy bajas temperaturas. Al decrecer la vibración de las partículas y átomos, éstos pueden emparejarse, sumándose sus espines semienteros y pasando a comportarse como bosones.

Este video lo explica magníficamente:

Un ejemplo muy conocido es el de los materiales superconductores. Al enfriarse, sus electrones libres se emparejan (pares de Cooper), actuando como bosones. Al perder su resistencia a la penetrabilidad circulan por el conductor sin resistencia alguna, pudiendo crear fuertes campos magnéticos usados para levitación magnética, aceleradores de partículas, etc.

Otro ejemplo, muy espectacular, es el de los superfluidos como el helio líquido enfríado cerca del cero absoluto. Su comportamiento cambia radicalmente a muy baja temperatura, perdiendo toda su viscosidad y haciendo cosas extrañas como subirse solo por las paredes de los recipientes que lo contienen para igualar su nivel con el líquido que hay fuera (un resultado del efecto túnel cuántico).

Por tanto vemos que la diferencia entre fermiones y bosones, entre materia y pura energía, no es tan clara como podría parecer.

De hecho, en el camino hacia la unificación de todas las partículas, de una teoría del todo, el último paso a dar sería la demostración de que los bosones y fermiones pueden, en las altas energías que dieron lugar al Big Bang, unificarse y confundirse: es la llamada supersimetría, teoría que predice nuevas partículas que quizás sean encontradas por la versión mejorada del LHC.

En otra ocasión hablaremos con más detalle de la supersimetría. 

De momento, os dejo hasta Septiembre mientras disfrutamos de un merecido descanso.

   Salvador

Antigravedad: escapando a la fuerza irresistible

¿Quien no ha soñado en volar como Superman o Wonderwoman, libre de la tiranía de la atracción gravitatoria de nuestro planeta, saltando de un edificio a otro como Spiderman, sin siguiera necesidad de columpiarse con sus lianas de araña...?

... o construir coches voladores como en Bladerunner o El Quinto Elemento?

Pedirle prestado el landspeeder a Luke Skywalker:

O, al menos... tener un monopatín como el de Regreso Al Futuro II:

Además de nuestras fantasías individuales, la naturaleza siempre atractiva de la gravedad limita nuestras posibilidades de viajar al espacio sin tener que gastar enormes cantidades de combustible y presupuesto.

Si pudiéramos controlar la fuerza y la dirección de la gravedad quizás podríamos evitar la causa número uno de accidentes ridículos y los correspondientes videos:

El control de la gravedad, a veces para aumentarla y otras para disminuirla, le hubiera hecho la vida más fácil a la Dra. Ryan Stone, protagonista de Gravity, la espléndida película de Alfonso Cuarón, y también hubiera salvado la vida a los astronautas muertos en accidentes como los de las lanzaderas espaciales Challenger (en el despegue) y Columbia (en la reentrada).

El control local de la gravedad ofrecería innumerables aplicaciones prácticas. En ciencia-ficción estas aplicaciones son comunes bajo el nombre de 'suspensores', 'campos antigravedad' o 'gravedad artificial'.

Por ejemplo, en la saga de Dune los campos suspensores se utilizan para conseguir desde lámparas flotantes que te siguen a cualquier lado, hasta enormes recolectores de especia que flotan sobre el desierto para poner la preciada sustancia a salvo de los gusanos gigantes.

Por no mencionar al 'adorable' Barón Harkonnen, que evita el peso de su cuerpo con unos suspensores especialmente adaptados:

Entre los pioneros literarios de la antigravedad nos encontramos, curiosamente, con los mismos autores que tratábamos en la entrada anterior sobre los mundos perdidos: Swift, Verne y Wells.

Jonathan Swift, en uno de los Viajes de Gulliver, describe la isla volante de Laputa (seguro que sin ser consciente de lo mal que suena en castellano), un pedazo de tierra que flota gracias a un inmenso imán en su base, lo que le sirve de vehículo para realizar una sátira sobre los científicos de la Royal Society británica. 

En 1986, el maestro de la animación Hayao Miyazaki, un aficionado a todo lo relacionado con el vuelo, retomó la idea y el nombre de Laputa para su película El Castillo en el Cielo.

¿No os recuerda esto a una película reciente donde aparecen extrañas montañas flotantes? Las montañas de Pandora, como la Laputa original, también vuelan por contener un mineral con fuertes propiedades magnéticas.

El gran pionero de la ciencia-ficción en el siglo XIX, Julio Verne, estaba también obsesionado con las máquinas voladoras y por vencer a la gravedad de una forma u otra. En su novela Cinco Semanas en Globo y en el cuento Un Drama en los Aires, los protagonistas viajan en globo aerostático.

Hasta el año 1966 se adjudicó a Julio Verne una estupenda novela llamada Un Descubrimiento Prodigioso (subtítulada "Y sus incalculables consecuencias sobre los destinos del mundo"), aunque parece que realmente no fue escrita por él. En cualquier caso, se trata de la primera novela que plantea con verosimilitud la existencia de un material antigravitatorio y cómo éste se aprovecha para crear aplicaciones prácticas. La novela es muy interesante porque desarrolla el efecto disruptivo de esta tecnología, y cómo los propósitos originales de su inventor se ven pervertidos.

El tema de la desilusión del inventor y su retiro del mundo aparece en otras dos novelas de Julio Verne (estas sí son suyas), también con el tema de un aparato volador, el Albatros, en este caso basado en hélices. Las novelasa son Robur el Conquistador y Dueño del Mundo. El personaje del ingenioso pero huraño y desencantado Robur es similar al del reclusivo ingeniero y científico de 20.000 Leguas de Viaje Submarino, el Capitán Nemo.

Al comienzo del siglo XX (1901), el otro gran maestro de la ficción científica, H.G. Wells, publica Los Primeros Hombres en la Luna, donde aparece una misteriosa aleación metálica con propiedades antigravitatorias, la cavorita, que permite a un empresario crear una nave espacial para escapar de la atracción terrestre. 

La novela fue adaptada en una curiosa película de la BBC:

Recuerdo aún una serie que se emitió en TVE al principio de los 80 llamada Código Rescate 1, en la que un grupo de chatarreros utilizaba un material antigravitatorio para construir una cutre-nave espacial (hecha de chatarra, claro) y la utilizaba para rescatar basura espacial. ¿Pero a quién se le ocurrían estos guiones tan absurdos?

¿Fantasía o posibilidad teórica?

¿Se quedará siempre la antigravedad en el reino de la fantasía, o será posible conseguirla algún día?

El millonario americano Roger Babson lleva 55 años poniendo su dinero detrás de la investigación para controlar la gravedad a través de la Gravity Research Foundation, buscando de alguna forma eliminar accidentes como el que acabó con la vida de su hermana, ahogada en un río. Sin embargo, aunque se ha avanzado mucho en el conocimiento teórico sobre la fuerza de la gravedad, no ha habido grandes progresos en su control. El problema básico es que hay muchas cosas que aún no sabemos sobre esta fuerza.

La gravedad es difícil de estudiar porque se trata, con mucho, de la fuerza más débil entre las cuatro fundamentales. A pesar de que tiene un alcance infinito como la fuerza electromagnética, ésta es 10 elevado a 36 veces más fuerte. Esto explica que un pequeño imán pueda sostener a una pieza de metal sin que se caiga, ya que su atracción magnética es más fuerte que la gravedad que ejerce todo el planeta Tierra sobre la misma pieza.

No es de extrañar que la única 'antigravedad' de la que disponemos hoy en día sea la creada mediante levitación magnética. Como hemos visto, muchas historias de fantasía imaginan islas voladoras a base de imanes. Sin embargo, el magnetismo de la Tierra no es suficientemente fuerte para conseguir este efecto. Para conseguir la levitación necesitamos una base que genere un campo magnético de suficiente fuerza. Por tanto no es una solución práctica para desplazarse libremente contra la gravedad.

A diferencia de las fuerzas nucleares fuerte y débil, y al igual que el electromagnetismo, la gravedad es una fuerza de largo alcance, en principio infinito, debido a que las partículas que actúan como sus mediadores (los gravitones, aún no detectados) tienen masa cero, igual que los fotones que median la fuerza electromagnética.

Por otro lado, mientras que la fuerza electromagnética puede ser atractiva o repulsiva, según actúen cargas del mismo signo o de diferente signo, la gravedad parece ser siempre atractiva, y existe aparentemente solamente un tipo de masa-energía de signo positivo.

Estas características de la gravedad y el electromagnetismo son las que dan forma a nuestro universo. Aunque la segunda fuerza domina el mundo de la química, las cargas positivas y negativas en los átomos compensan su fuerza cuando tenemos objetos grandes, así que no notamos a la escala humana la fuerza electromagnética, a no ser que hagamos circular cargas negativas libres por un conductor para crear un campo magnético.

Por otra parte, aunque la fuerza gravitatoria es muy débil en comparación con las otras siempre se acumula, lo que permite formar grandes agrupaciones de materia (estrellas, planetas, galaxias...) que dominan la estructura del universo a gran escala, y la forma del universo mismo.

Según la Teoría General de la Relatividad de Einstein, que se ha comprobado experimentalmente muchas veces, debemos aceptar dos hechos:

• La gravedad es en realidad un efecto de aceleración, producida por la deformación del espacio-tiempo que genera cualquier masa o energía. Por ello no notamos la gravedad cuando nos dejamos caer, o nos movemos libremente en una órbita. 

• La gravedad afecta tanto a la materia como a la energía. Por ejemplo, la luz también resulta 'curvada' por la gravedad, a pesar de no tener masa.

Por otra parte, la mecánica cuántica intenta explicar la gravedad mediante el intercambio de partículas, al igual que las otras fuerzas. Sin embargo, con permiso de la teoría de supercuerdas, que tiene varias versiones y aún carece de verificación experimental, hasta ahora no se ha conseguido unificar de forma satisfactoria ambas visiones de la gravedad, la relativista y la cuántica.

He aquí algunos argumentos científicos sobre el tema... (ja, ja)

Sabiendo estas peculiaridades de la fuerza de la gravedad, ¿sería posible contrarrestarla de alguna forma?

Escudos o pantallas: modificación de la gravedad

Una de las ideas frecuentemente repetidas en ciencia-ficción es la posibilidad de que un escudo o pantalla pudiera reducir la influencia de la gravedad sobre una nave espacial u otro dispositivo, permitiéndole moverse o flotar sin necesidad de gastar grandes cantidades de energía para propulsarse contra la atracción de un planeta.

(este 'castillo' es real)

En 1953, el entonces joven físico Bryce DeWitt, que llegará a ser uno de los más importantes teóricos de la teoría cuántica de la gravedad y la cosmología cuántica, escribió un artículo para explicar porqué se habían realizado pocos progresos en el control teórico y práctico de la gravedad.

Su conclusión fue que para abordar el control de la gravedad era necesaria antes la unificación de las visiones relativistas y cuántica, tal como hemos comentado antes, pero además se podía argumentar que resultaba imposible construir dispositivos efectivos para apantallar o escudar la fuerza gravitatoria de la misma forma que hacemos con la fuerza electromagnética. La razón es que estas pantallas requerirían tanta masa y/o energía, que acabarían generando tanta gravedad como la que pretendían evitar (haría falta otra pantalla para apantallar la primera pantalla, y así sucesivamente...).

En un artículo de 1963, el físico Robert L. Forward, que es también un reconocido escritor de ciencia-ficción, explicó que las ecuaciones de Einstein permiten fuerzas de gravedad que no actúan como la fuerza newtoniana de atracción centro a centro.

Estas fuerzas de gravedad no-newtoniana se deben al efecto de las masas que giran o aceleran sobre la forma del espacio-tiempo. Si pensamos en el espacio-tiempo como la superficie del agua, podemos visualizar que al girar un gran anillo crearía un 'remolino' que movería una masa situada en su centro; y al desplazarse a gran velocidad una masa acelerando crearía una 'estela' que arrastraría ligeramente a otras masas cercanas.

Sin embargo, en el mismo artículo Forward admite que, como había dicho DeWitt, estos dispositivos podrían modificar ligeramente la gravedad sobre un objeto pero serían masivos y consumirían una enorme cantidad de energía: no servirían para ahorrar la energía necesaria para vencer a la gravedad.

Esta misma conclusión es la que alcanza un estudio de la ESA en 2005: de momento no se ha comprobado la efectividad de ningún método de 'modificación de la gravedad', pero incluso si llegaran a funcionar alguno de los métodos propuestos teóricamente, lo más probable es que no sirvieran como métodos de propulsión, como mucho se utilizarían para reducir un poco el peso de naves o estructuras en tierra.

Los autores de este informe, M. Tajmar de Austria y O. Bertolami, de Portugal, afirman que un sistema de control de la gravedad debería venir por una de estas vías:

• Descubrimiento de una nueva fuerza fundamental de la naturaleza que permitiera alterar la fuerza efectiva de la gravedad. Esto afectaría al principio de equivalencia (que todas las masas caen con la misma aceleración de la gravedad en el vacío).

• Existencia de nuevas interacciones entre la fuerza de la gravedad y el electromagnetismo (gravitomagnetismo), como consecuencia de su unificación (bajo una teoría generalizada de la relatividad, o de la teoría de supercuerdas y otras 'teorías del todo'). Algunos experimentos con superconductores han detectado efectos de este tipo, pero de alcance muy pequeño.

• Conseguir la alteración de las propiedades del vacío para cambiar las fuerzas relativas de las interacciones fundamentales de la naturaleza

A pesar de los informes negativos sobre las posibilidades prácticas de modificación de la gravedad, ha habido noticias hablando de experimentos que supuestamente habrían conseguido reducciones medibles de la gravedad en objetos de cierto tamaño. La historia más conocida es la del experimento de Eugene Podkletnov, que afirmó haber conseguido una reducción del 2% del peso. Sin embargo, no se ha conseguido reproducir este resultado, y Podkletnov retiró su artículo original y fue despedido de su puesto en Finlandia. Actualmente trabaja en Rusia, pero no ha publicado nueva información, lo que ha dado lugar a muchas teorías especulativas y conspirativas sobre el asunto. 

Antimateria y antigravedad

Una pregunta que surge de forma espontánea es la siguiente: si existe la antimateria (y sabemos que existe), ¿no producirá una gravedad negativa?

La antimateria no se ha producido en suficiente cantidad para poder responder a esta pregunta experimentalmente, pero la respuesta teórica de la mayoría de los físicos es negativa. Si hubiera alguna diferencia sería menor del 1%. Aún así hay un experimento planeado en el CERN para realizar una comprobación directa utilizando la antimateria producida en el LHC, el gran acelerador que ha servido para probar la existencia del bosón de Higgs.

La razón por la que se espera que la antimateria tenga un peso 'positivo' igual que la materia ordinaria es que la antimateria se produce mediante la misma energía 'positiva' que la materia normal. Si unimos suficiente energía E en un lugar (por ejemplo, mediante un choque en un acelerador de partículas), la mitad de esta energía se va en crear partículas y la otra mitad en antipartículas). La ecuación de Einstein E=mc2 nos dice que si la energía E es positiva la masa m también lo es.

Robert L. Forward, al que he mencionado antes, admite que la antimateria no serviría para generar antigravedad, por lo cual propone la hipótesis de una verdadera masa negativa, que no incumpliría los principios básicos de la física, y serviría como un método de propulsión espacial muy eficiente.

Sin embargo, como en otras ideas teóricas, la masa negativa es simplemente de una propuesta que sería consistente con las ecuaciones relativistas, pero de la cuál no hay ninguna prueba ni indicio experimental.

Energía oscura y antigravedad

Hemos visto al hablar del origen inflaccionario del universo que el supuesto vacío del espacio está lleno de una misteriosa energía oscura cuya naturaleza es desconocida. Podría ser una fuerza nueva de la naturaleza, o de un efecto debido a las dimensiones ocultas de nuestro universo o a la conexión con otro universo externo.

Lo que conocemos de esta energía oscura es que sería responsable de la aceleración actual en la expansión del universo, y que podría estar relacionada con el campo escalar que causó la expansión explosiva inicial (inflación) del Big Bang.

La energía oscura parece crear una presión negativa igual en todos los puntos del espacio, que hace que éste se expanda de forma homogénea. Por tanto la energía oscura en sí no actúa como una fuerza de gravedad negativa, puesto que expande todo el espacio por igual (el que hay detrás de una nave y el que hay delante): no depende de las masas.

Para disponer de una forma útil de energía oscura tendríamos que ser capaces de concentrarla en determinados puntos, igual que con la masa negativa propuesta por Forward. Esto es lo que persigue el motor de Alcubierre, creando una 'burbuja' alrededor de la nave espacial rodeada de presión negativa, lo que permitiría en principio la propulsión a mayor velocidad que la luz.

Sin embargo, el meritorio trabajo de Alcubierre solamente es otra propuesta teórica. El físico mejicano demostró que este tipo de deformación es compatible con las ecuaciones de la relatividad, pero no da ninguna pista sobre cómo sería posible generar en la realidad esta energía oscura localizada.


Patentes, OVNIs y otros divertimentos

Las dificultades, teóricas y prácticas, para concebir científicamente un mecanismo de antigravedad no han detenido a los entusiastas y visionarios de todo tipo.

Hasta existen algunas patentes de naves que utilizan motores de antigravedad. Desde luego, en Estados Unidos se puede patentar cualquier cosa...

Esta nave dudo que pudiera llegar muy lejos, pero al menos en el suelo tendría cierta estabilidad, a tenor de lo que los proponentes han reflejado en la animación:

Este tema de la antigravedad, como otros que hemos visto anteriormente, también es propenso a la aparición de teorías pseudocientíficas y de personas más o menos bien intencionadas que creen haber descubierto el secreto tan largamente buscado.

Por otra parte, hay excelentes esfuerzos para explicar de forma seria los mecanismos físicos de 'levitación' que conocemos actualmente. Todo aspirante a inventor de la antigravedad debería comenzar echándoles un vistazo.

Hay que admirar también aquellos que construyen aparatos caseros de antigravedad, sobre los que uno tiene que aplicar una sana incredulidad:

Incluso según algunos es posible replicar los motores de antigravedad que (por supuesto) utilizan los OVNIs:

Éste supongo que va de cachondeo, porque es bastante obvio que el artefacto está colgando de un hilo  :-)

Y luego están los mencionados teóricos de la conspiración, que argumentan que -por supuesto- la antigravedad existe, pero está escondida a buen recaudo por los poderes ocultos:

Y no puedo terminar sin aportar dos pruebas DEFINITIVAS de que la antigravedad ES POSIBLE.

Primero, la TEORÍA DE LA ANTIGRAVEDAD DE MURPHY, que combina dos elementos de obvio potencial, como son una tostada de mantequilla y un gato. No os la perdáis.

Y la segunda, esta foto que me tomé delante de la Casa Blanca en mi época hippie. Para que veáis que la física no lo es todo. Con un poco de concentración...

Volveremos pronto con más secretos del universo.

    Salvador