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  • 1. Teorías físicas centrales y propuestas del universo. Trabajo  CMC
  • 2. Física teórica:La física teórica constituye la rama de la física que elabora teoríasy modelos usando el lenguaje matemático con el fin de explicar ycomprender fenómenos físicos, aportando las herramientasnecesarias no solo para el análisis sino para la predicción delcomportamiento de los sistemas físicos. El objetivo de la físicateórica es comprender el universo elaborando unos modelosmatemáticos y conceptuales de la realidad que se utilizan pararacionalizar, explicar y predecir los fenómenos de la naturaleza,planteando una teoría física de la realidad. Su núcleo central es lafísica matemática, aunque también se usan otras técnicasconceptuales.
  • 3. Método de la física:Todas  las  ciencias  de  la  naturaleza  poseen  una  característica  común:  son ciencias  experimentales,  es  decir,  los  conocimientos  acumulados  han  sido obtenidos  mediante  la  experimentación  sistemática.  Este  procedimiento  se denomina  método  científico  experimental  o  también  método  empírico­descriptivo.No  obstante,  la  física  teórica  crea  y  usa  la  matemática  adecuada  para predecir  fenómenos  que  aún  no  han  sido  observados  experimentalmente  así como  otros  que  nos  permiten  conocer  el  universo  en  formas  no  accesibles experimentalmente,  en  base  a  principios  bien  demostrados experimentalmente. Pero la demostración final de todo conocimiento en física es  experimental  y  hasta  que  no  se  demuestra  de  esta  forma  las  predicciones de la teoría no se puede estar seguro de la validez de una teoría o modelo. Un ejemplo está en los aceleradores de partículas en los que se busca en muchas ocasiones  partículas  previstas  por  el  modelo  de  la  física  de  partículas  y frecuentemente  se  encuentran  otras  no  previstas  inicialmente  y  que  hacen cambiar el modelo. Asimismo, las predicciones de la física teórica han indicado a menudo la existencia de partículas no descubiertas y han proporcionado las técnicas  adecuadas  para  su  búsqueda  experimental,  siendo  encontradas  de forma posterior a su predicción teórica.
  • 4. Teorías centrales:Las  teorías  dominantes  (a  veces  conocido  como  teorías  central)  son  el cuerpo de conocimiento de ambos puntos de vista fáctico y científico, y que poseen  una  calidad  científica  habitual  de  pruebas  de  repetibilidad,  y coherencia  con  los  parámetros  bien  establecidos  de  la  ciencia  y  la experimentación.  No  existen  teorías  dominantes  que  son  generalmente aceptadas, sino teorías que se basan únicamente en sus efectos explicar una amplia  variedad  de  datos,  aunque  la  composición  de  la  detección,  y  la explicación, son aún posibles temas de debate. Ejemplos: Es la rama de la astrofísica, que estudia la estructura  a  gran  escala  y  la  dinámica  del  Universo.  En  particular,  trata  de  responder  las  preguntas  acerca  del origen, la evolución y el destino del Universo. La  Nucleosíntesis  del  Big  Bang  es  la  teoría  de  la  formación  de  los  elementos  en  el  Universo  Cosmología física primigenio.  Acaba  cuando  el  Universo  tiene  tres  minutos  de  edad  y  su  temperatura  cae  lo  suficiente  como  para  que  cese  la  fusión  nuclear.  Sólo  se  produjeron los elementos más ligeros, principalmente  deuterio,  helio  y  litio.  Algunos  cosmólogos  han  propuesto que la nucleosíntesis del big bang sugiere  la  existencia  de  cuatro  especies  "estériles"  de 
  • 5. Energía oscuraEn cosmología  física,  la  energía  oscura  es  una  forma de materia o energía que estaría presente  en  todo  el  espacio,  produciendo  una  presión  que  tiende  a  acelerar  la expansión  del  Universo,  resultando  en  una  fuerza  gravitacional  repulsiva.  Considerar  la existencia  de  la  energía  oscura  es  la  manera  más  frecuente  de  explicar  las observaciones recientes de que el Universo parece estar en expansión acelerada. En el modelo estándar de la cosmología, la energía oscura aporta casi tres cuartas partes de la masa­energía total del Universo. Las supernovas de tipo 1a proporcionan la principal  prueba  directa  de  la  existencia  de  la  energía  oscura. Según a la Ley de Hubble, todas las galaxias  lejanas  se  alejan  aparentemente  de  la  Vía  Láctea,  mostrando un desplazamiento al rojo en el espectro  luminoso debido al efecto Doppler. La medición del  factor  de  escala  en  el  momento  que  la  luz  fue  emitida  desde  un  objeto  es  obtenida  fácilmente  midiendo  el  corrimiento  al  rojo  del  objeto  en  recesión. Este desplazamiento indica la edad de un  objeto  lejano  de  forma  proporcional,  pero  no  absoluta. Por ejemplo, estudiando el espectro de un  quasar  se  puede  saber  si  se  formó  cuando  el  Universo  tenía  un  20%  o  un  30%  de  la  edad  actual,  pero  no  se  puede  saber  la  edad  absoluta  del  Universo.  Para ello es necesario medir  con  precisión  la  expansión  cosmológica.  El  valor  que  representa  esta  expansión  en  la  actualidad  se  denomina  Constante de Hubble.
  • 6. Si  la  aceleración  continúa  indefinidamente,  el  resultado  final  será  que  las  galaxias  exteriores  al Supercúmulo  de  Virgo  se  moverán  más  allá  del  horizonte  de  sucesos:  no  volverán  a  ser  visibles, porque  su  velocidad  radial  será  mayor  que  la  velocidad  de  la  luz.  Esta  no  es  una  violación  de  la relatividad especial y el efecto no puede utilizarse para enviar una señal entre ellos. Realmente no hay ninguna manera de definir la "velocidad relativa" en un espacio­tiempo curvado. La velocidad relativa y la velocidad sólo pueden ser definidas con significado pleno en un espacio­tiempo plano o  en  regiones  suficientemente  pequeñas  (infinitesimales)  de  espacio­tiempo  curvado.  A  su  vez, previene cualquier comunicación entre ellos y el objeto pase sin contactar. La Tierra, la Vía Láctea y el Supercúmulo de Virgo, sin embargo, permanecería virtualmente sin perturbaciones mientras el resto  del  Universo  retrocede.  En  este  escenario,  el  supercúmulo  local  finalmente  sufriría  la  muerte caliente,  justo  como  se  pensaba  para  un  Universo  plano  y  dominado  por  la  materia,  antes  de  las medidas de la aceleración cósmica.El fondo de microondas indica que la geometría del Universo es plana, es decir, el Universo tiene la masa  justa  para  que  la  expansión  continúe  indeterminadamente.  Si  el  Universo,  en  vez  de  plano fuese cerrado, significaría que la atracción gravitatoria de la masa que forma el Universo es mayor que la expansión del Universo, por lo que éste se volvería a contraer (Big Crunch). Sin embargo, al estudiar  la  masa  del  Universo  se  detectó  muy  pronto  que  faltaba  materia  para  que  el  Universo fuese  plano.  Esta  "materia  perdida"  se  denominó  materia  oscura.  Con  el  descubrimiento  de  la energía oscura hoy se sabe que el destino del Universo ya no depende de la geometría del mismo, es decir, de la cantidad de masa que hay en él. En un principio la expansión del Universo se frenó debido  a  la  gravedad,  pero  hace  unos  4.000  millones  de  años  la  energía  oscura  sobrepasó  al efecto de la fuerza gravitatoria de la materia y comenzó la aceleración de la expansión.El futuro último del Universo depende de la naturaleza exacta de la energía oscura. Si ésta es una constante  cosmológica,  el  futuro  del  Universo  será  muy  parecido  al  de  un  Universo  plano.  Sin embargo, en algunos modelos de quintaesencia, denominados energía fantasma, la densidad de la  energía  oscura  aumenta  con  el  tiempo,  provocando  una  aceleración  exponencial.  En  algunos modelos extremos la aceleración sería tan rápida que superaría las fuerzas de atracción nucleares y destruiría el Universo en unos 20.000 millones de años, en el llamado Gran Desgarro (Big Rip).
  • 7. Materia oscura:Se denomina materia oscura a la hipotética materia que no emite suficiente radiación electromagnética  para  ser  detectada  con  los  medios  técnicos  actuales,  pero  cuya existencia  se  puede  deducir  a  partir  de  los  efectos  gravitacionales  que  causa  en  la materia visible, tales como las estrellas o las galaxias, así como en las anisotropías del fondo cósmico de microondas presente en el universo.Velocidad de dispersión de las galaxias: hay lugares donde la materia oscura parece ser  un  pequeño  componente  o  estar  totalmente  ausente.  Los  cúmulos  globulares  no muestran  evidencias  de  contener  materia  oscura,  aunque  sus  interacciones  orbitales con  las  galaxias  muestran  pruebas  de  materia  oscura  galáctica.  Durante  algún tiempo,  las  mediciones  del  rango  de  velocidad  de  las  estrellas  parecía  indicar  la concentración  de  la  materia  oscura  en  el  disco  galáctico  de  la  Vía  Láctea;  sin embargo, ahora parece que la alta concentración de la materia bariónica en el disco de  la  galaxia  (especialmente  en  el  medio  interestelar)  puede  influir  en  este movimiento.  Los  perfiles  de  las  masas  de  las  galaxias  se  piensa  que  parecen  muy diferentes de los perfiles de la luz. El modelo típico para las galaxias de materia oscura es una distribución lisa y esférica en halos virializados.
  • 8. Materia  oscura  en  cúmulos  de  galaxias:  La  materia  oscura  también  afecta  a agrupaciones  galácticas.  Las  medidas  de  Rayos  X  del  caliente  gas  intracumular  se corresponden íntimamente a las observaciones de las relaciones masa­luz para grandes cúmulos  de  casi  10  a  1.  Muchos  de  los  experimentos  del  Observatorio  de  rayos  X Chandra  utilizan  esta  técnica  para  determinar  independientemente  la  masa  de  los cúmulos.El cúmulo de galaxias Abell 2029 está compuesto de miles de galaxias envueltas en una nube  de  gas  caliente  y  una  cantidad  de  materia  oscura  equivalente  a  más  de  diez14 soles.  En  el  centro  de  este  cúmulo  hay  una  enorme  galaxia  con  forma  elíptica  que  se piensa  que  se  formó  a  partir  de  la  unión  de  muchas  galaxias  más  pequeñas.[13]  Las velocidades  orbitales  de  las  galaxias  medidas  dentro  de  los  cúmulos  de  galaxias  son consistentes con las observaciones de materia oscura.
  • 9. Termodinámica de los agujeros negro:La  termodinámica  de  los  agujeros  negros  es  la  rama  de  la  astrofísica  desarrollada  a partir del descubrimiento de la analogía entre las leyes de la termodinámica y algunas de  las  propiedades  de  los  agujeros  negros.  Estos  estudios  fueron  emprendidos  en  los años 1970 por científicos como Stephen Hawking, quien a su vez planteó el fenómeno de la evaporación de los agujeros negros en 1975 por el cual un agujero negro no es un  cuerpo  absolutamente  oscuro  sino  que  podría  emitir  una  cantidad  débil  de radiación térmica.Analogía:  el  estudio  de  los  agujeros  negros  estableció  el llamado teorema de ningún pelo  que  sostiene  que  es  posible  describir  estos  cuerpos  celestes  mediante únicamente tres parámetros: su masa M, su carga eléctrica Q y su momento cinético L. En ausencia de momento cinético, un agujero negro es perfectamente esférico, pero si  posee  un  momento  cinético,  adoptará  una  forma  ligeramente  achatada.  Así,  el parámetro  que  pertinentemente  describe  la  estructura  del  agujero  negro  no  es  su radio,  sino  su  superficie  que  ha  de  entenderse  como  la  superficie  del  horizonte  de sucesos  que  le  caracteriza.  Existirá  por  tanto  una  relación  entre  el  área  del  agujero negro A a los tres parámetros establecidos por el teorema.
  • 10. Relatividad general:La  teoría  general  de  la  relatividad  o  relatividad  general  es  una  teoría  del  campo gravitatorio  y  de  los  sistemas  de  referencia  generales,  publicada  por  Albert  Einstein  en 1915 y 1916.El  nombre  de  la  teoría  se  debe  a  que  generaliza  la  llamada  teoría  especial  de  la relatividad.  Los  principios  fundamentales  introducidos  en  esta  generalización  son  el Principio  de  equivalencia,  que  describe  la  aceleración  y  la  gravedad  como  aspectos distintos  de  la  misma  realidad,  la  noción  de  la  curvatura  del  espacio­tiempo  y  el principio de covariancia generalizado.Las características esenciales de la teoría de la relatividad general son las siguientes:* El principio general de covariancia: las leyes de la física deben tomar la misma forma matemática en todos los sistemas de coordenadas.* El principio de equivalencia o de invariancia local de Lorentz: las leyes de la relatividad especial  (espacio  plano  de  Minkowski)  se  aplican  localmente  para  todos  los observadores inerciales.* La curvatura del espacio­tiempo  es  lo  que  observamos como un campo gravitatorio, en presencia  de  materia  la  geometría  del  espacio­tiempo no es plana sino curva, una partícula  en  movimiento  libre  inercial  en  el  seno  de  un  campo  gravitorio  sigue  una trayectoria geodésica.
  • 11. Teorías propuestas:Las  teorías  propuestas  de  la  física  son  relativamente  nuevas  teorías  que  se ocupan del estudio de la física, que incluyen los enfoques científicos, medios para  determinar  la  validez  de  los  modelos  y  los  nuevos  tipos  de razonamiento utilizados para llegar a la teoría. Sin embargo, algunas teorías propuestas son las teorías que han existido durante décadas y han eludido a los  métodos  de  descubrimiento  y  de  la  prueba.  Teorías  propuestas  pueden incluir  las  teorías  marginales  en  el  proceso  de  establecerse  (y,  a  veces, ganando  una  mayor  aceptación).  Las  teorías  propuestas  por  lo  general  no han sido probados. Ejemplos : Agujero de gusano:En física, un agujero de gusano, también conocido como un puente de Einstein­Rosen y en las traducciones españolas «agujero de lombriz», es una hipotética característica topológica  de  un  espacio­tiempo,  descrita  por  las  ecuaciones  de  la  relatividad general,  la  cual  es  esencialmente  un  «atajo»  a  través  del  espacio  y  el  tiempo.  Un agujero  de  gusano  tiene  por  lo  menos  dos  extremos,  conectados  a  una  única «garganta», pudiendo la materia desplazarse de un extremo a otro pasando a través de  ésta.  Hasta  la  fecha  no  se  ha  encontrado  ninguna  evidencia  que  el  espacio­tiempo  conocido  contenga  estructuras  de  este  tipo,  por  lo  que  en  la  actualidad  son sólo una posibilidad teórica.
  • 12. La  definición  topológica  de  agujero  de  gusano  no  es  intuitiva.  Se  dice  que  en  una  región  compacta  del  espacio­tiempo  existe  un  agujero  de  gusano  cuando  su  conjunto  frontera  es  topológicamente  trivial  pero  cuyo  interior  no  es  simplemente conexo. Viajes en el tiempo: Un agujero de gusano podría  permitir en teoría el viaje en el tiempo. Esto podría  llevarse  a  cabo  acelerando  el  extremo  final  de  un agujero de gusano a una velocidad relativamente  alta  respecto  de  su  otro  extremo.  La  dilatación  de  tiempo  relativista resultaría en una boca del agujero de gusano acelerada envejeciendo más lentamente que la boca estacionaria, visto por un observador externo, de forma parecida a lo que se  observa  en  la  paradoja  de  los  gemelos.  Sin  embargo,  el  tiempo  pasa  diferente  a través  del  agujero  de  gusano  respecto  del  exterior,  por  lo  que, los relojes sincronizados en cada boca permanecerán sincronizados para alguien viajando a través del agujero de  gusano,  sin  importar  cuanto  se  muevan  las  bocas.  Esto  quiere  decir  que  cualquier cosa  que entre  por  la  boca  acelerada  del  agujero  de  gusano  podría salir por la boca estacionaria  en  un  punto  temporal  anterior  al  de  su  entrada  si  la  dilatación  de  tiempo ha sido suficiente.Viajes a velocidades superiores a la de la luz: la relatividad especial sólo tiene aplicación localmente. Los agujeros de gusano — si en efecto existiesen— permitirían teóricamente el viaje superluminal (más rápido que la luz) asegurando que la velocidad de la luz no es excedida localmente en ningún momento. Al viajar a través de un agujero de gusano, las velocidades son subluminales (por debajo de la velocidad de la luz). 
  • 13. Teoría de cuerdas:La teoría de cuerdas es un modelo fundamental de la física que básicamente asume que  las  partículas  materiales  aparentemente  puntuales  son  en  realidad  "estados vibracionales" de un objeto extendido más básico llamado "cuerda" o "filamento".De acuerdo con esta propuesta, un electrón no es un "punto" sin estructura interna y de dimensión cero, sino un amasijo de cuerdas minúsculas que vibran en un espacio­tiempo  de  más  de  cuatro  dimensiones.  Un  punto  no  puede  hacer  nada  más  que moverse  en  un  espacio  tridimensional.  De  acuerdo  con  esta  teoría,  a  nivel "microscópico"  se  percibiría  que  el  electrón  no  es  en  realidad  un  punto,  sino  una cuerda  en  forma  de  lazo.  Una  cuerda  puede  hacer  algo  además  de  moverse; puede  oscilar  de  diferentes  maneras.  Si  oscila  de  cierta  manera,  entonces, macroscópicamente  veríamos  un  electrón;  pero  si  oscila  de  otra  manera,  entonces veríamos un  fotón,  o  un  quark,  o  cualquier  otra  partícula  del modelo estándar.  Esta teoría,  ampliada  con  otras  como  la  de  las  supercuerdas  o  la  Teoría  M,  pretende alejarse de la concepción del punto­partícula.La  siguiente  formulación  de  una  teoría  de  cuerdas  se  debe  a  Jöel  Scherk  y  John Schwuarz, que en 1974 publicaron un artículo en el que demostraban que una teoría basada  en  objetos  unidimensionales  o  "cuerdas"  en  lugar  de  partículas  puntuales podía  describir  la  fuerza  gravitatoria.  Aunque  estas  ideas  no  recibieron  en  ese momento mucha atención hasta la Primera revolución de supercuerdas de 1984. De acuerdo  con  la  formulación  de  la  teoría  de  cuerdas  surgida  de  esta  revolución,  las teorías  de  cuerdas  pueden  considerarse  de  hecho  un  caso  general  de  teoría  de Kaluza­Klein cuantizada.
  • 14.  Las ideas fundamentales son dos:     * Los objetos básicos de la teoría no serían partículas puntuales sino objetos  unidimensionales extendidos (en las cinco teorías de cuerdas convencionales estos  objetos eran unidimensionales o "cuerdas"; actualmente en la teoría­M se admiten  también de dimensión superior o "p­branas"). Esto renormaliza algunos infinitos de los  cálculos perturbativos.     * El espacio­tiempo en el que se mueven las cuerdas y p­branas de la teoría no  sería el espacio­tiempo ordinario de 4 dimensiones sino un espacio de tipo Kaluza­ Klein, en el que a las cuatro dimensiones convencionales se añaden 6 dimensiones  compactificadas en forma de variedad de Calabi­Yau. Por tanto  convencionalmente en la teoría de cuerdas existe 1 dimensión temporal, 3  dimensiones espaciales ordinarias y 6 dimensiones compactificadas e inobservables  en la práctica. Teoría M:La teoría M contiene mucho más que cuerdas. Contiene tanto objetos de mayor como menor  dimensionalidad.  Estos  objetos  son  llamados  P­branas*  donde  p  denota  su dimensionalidad  (así,  1­brana  podría  ser  una  cuerda  y  2­brana  una  membrana)  o  D­branas  (si  son  cuerdas  abiertas).  Objetos  de  mayores  dimensiones  siempre  estuvieron presentes  en  la  teoría  de  las  cuerdas  pero  nunca  pudieron  ser  estudiados  antes  de  la Segunda  Revolución  de  las  Supercuerdas  debido  a  su  naturaleza  no­perturbativa. Incluso  se  ha  sugerido  que  el  Big  bang  fue  producido  por  la  colisión  de  dos  de  estas membranas, brotando nuestro Universo.Nota: La Teoría­M , concibe una organizacion de esferas/membranas sin fin pero con un orden  subyacente.  Para  esta  hipótesis,  orden  holográfico,  definirá  entre  otros,  el 
  • 15. Gravedad cuántica de los bucles (LQG):Es  una  teoría  de  gravedad  cuántica,  que  mezcla  las  teorías  aparentemente incompatibles de la mecánica cuántica y la relatividad general. Como teoría de la gravedad cuántica,  es  el  competidor  principal  de  la  teoría de las cuerdas, aunque quienes  sostienen  esta  última  exceden  en  número  a  quienes  sostienen  la  teoría  de bucles por un factor, aproximadamente, de 10 a 1.Esta  teoría  sugiere  que  el  espacio  puede  tratarse  como  una  fina  red  tejida  con  un número  finitos  de  lazos  o  bucles  cuantizados  que  se  denomina  red  de  espín.  Si incorporamos el tiempo a estas redes entonces tendremos una espuma de espín. En otras palabras, LQG plantea que a escalas muy pequeñas (a distancia de Planck), el espacio­tiempo  está  formado  por  una  red  de  lazos  entretejidos  en  una  especie  de espuma. Defiende que el espacio no es suave y continuo sino que consta de trozos indivisibles de 10­35 metros de diámetro. La LQG define el espacio­tiempo como una red  de  enlaces  abstractos  que  conecta  estos  volúmenes  de  espacio  (=  lazos  o bucles), como si fueran los nodos enlazados de un grafo.Características:LQG  y  el  límite  clásico:  Cualquier  teoría  exitosa  de  la  gravedad  cuántica  debe proporcionar predicciones físicas que emparejen de cerca la observación conocida, y reproducir los resultados de la teoría de campos cuánticos y de la gravedad. Hasta la fecha la teoría de Einstein de la relatividad general es la teoría más acertada de la gravedad.  Se  ha  mostrado  que  cuantificar  las  ecuaciones  del  campo  de  la relatividad  general  no  recuperará  necesariamente  esas  ecuaciones  en  el  límite clásico.  Sigue  siendo  confuso  si  LQG  da  los  resultados  que  emparejan  la  relatividad 
  • 16. Cosmología cuántica de la LQG: Un principio importante en la cosmología cuántica al  cual  LQG  adhiere,  es  que  no  hay  observadores  exteriores  al  universo.  Todos  los observadores deben ser una parte del universo que están observando. Sin embargo, porque  los  conos  de  luz  limitan  la  información  que  está  disponible  para  cualquier observador,  la  idea  platónica  de  verdades  absolutas  no  existe  en  un  universo  de LQG. En su lugar, existe una consistencia de verdades en que cada observador, si es veraz, reportará resultados consistentes pero no necesariamente iguales.Otro  principio  importante  gira  alrededor  de  la  constante  cosmológica,  que  es  la densidad de la energía inherente a un vacío.El Big Bang en la LQG: La LQG se ha asociado a un modelo en el que el Big bang es precedido por una o varias fases previas de colapso y expansión, en una especie de rebote llamado Big bounce. LQG permite hacer cálculos y computar lo que puede haber  pasado  antes  del  Big  bang,  e  indican  de  forma  rotunda  que  antes  del  Big bang  hubo  otro  universo  que  se  contrajo  y  luego,  al  rebotar,  dio  lugar  al  nuestro. Según este modelo cosmológico simplificado basado en LGQ, si retrocedemos en el tiempo, el Universo se hace cada vez más denso hasta que no se puede comprimir más, pasándose luego a una fase de expansión hacia atrás en el tiempo (colapso en el sentido del tiempo habitual).Por  tanto,  nuestro  universo  sería  el  resultado  del  rebote  de  un  universo  previo  que colapsó  bajo  los  efectos  de  la  gravedad  sin  pasar  por  una  singularidad.  Las preguntas que surgen son muchas, todas estas preguntas se están investigando y no hay  una  respuesta  clara.  Quizás  el  estudio  en  detalle  de  la  radiación  cósmica  de fondo  nos  dé  pistas  al  respecto  y  nos  diga  si  esta  teoría  va  por  buen  camino. Permitiría  someter  esta  teoría  al  escrutinio  experimental,  y  corroborar  o  refutar  el modelo de evolución del universo que se infiere de la LQG
  • 17. FIN

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