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El LHC y nuevas tecnologías de Transporte Aeroespacial


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El LHC como microscopio.El LHC es el último de los aceleradores de partículas creados, y en su concepción básica sigue los mismos principios que otros instrumentos similares anteriores. La novedad es la gran energía usada en la aceleración de hadrones, concretamente protones, que son mucho más pesados que los electrones, además de ser partículas complejas, ya que están formadas por elementos menores, los quarks y los gluones. Los primeros conforman la estructura del protón, los segundos se encargan de que estas partículas se mantengan unidas. El LHC opera a energías nunca antes empleadas en este tipo de experimentos, lo cual es clave para dilucidar muchos de los interrogantes actuales sobre la estructura de la materia.Acelerar protones casi a la velocidad de la luz y hacerlos colisionar a energías enormes tiene una misión fundamental: esas colisiones van a permitir estudiar la estructura básica de la materia, y van a conseguir supuestamente obtener nuevas partículas muy energéticas que hasta ahora no podían crearse en un laboratorio de forma controlada. La conocida Teoría Estándar estipula, entre otras ideas, que deberían aparecer rastros de una partícula conocida como Bosón de Higgs. Esta partícula, bautizada con el romántico nombre de “partícula de Dios”, forma un campo que tiene una curiosa particularidad: su nivel energético más bajo es distinto de cero. Así como el menor campo gravitatorio o electromagnético posible es cero, el campo de Higgs supone, en su estado de mínima energía, un nivel distinto al cero. Debid a la interacción mutua entre partículas y el campo de Higgs, protones, neutrones o electrones que se muevan por dicho campo generarán masa. Dicho de otro modo: la materia de la que está formada la Tierra y nosotros mismos, tiene masa gracias y por efecto del campo de Higgs y su partícula asociada, el bosón de Higgs.El LHC es pues una especie de tremendo microscopio que se dedica a observar los aspectos más básicos de la materia a base de algo tan clásico como es la fuerza bruta. De igual modo que rompemos un objeto con un martillo o una sierra para analizar su interior, el LHC rompe la materia con altas energías y enormes presiones para descubrir sus secretos.

Einstein
Einstein revolucionó la física y sus teorías siguen dando frutos actualmente

El LHC como máquina del tiempo.Pero el LHC también es, en cierto modo, una máquina del tiempo. Y lo es porque actualmente se conoce que el universo primigenio era muchísimo más denso y caliente que el actual. Las pruebas en este sentido son muy amplias, y aunque quedan dudas y cuestiones a resolver, los aspectos generales parecen bastante evidentes, y hay diversas pruebas que atestiguan que el universo comenzó con una enorme explosión, el famoso “Big Bang”. Precisamente ese instante del universo se caracterizó por una cantidad de energía y de presión como nunca desde entonces se ha vuelto a dar. Es por ello que se requiere recrear condiciones similares a las producidas en aquel momento inicial del universo, para conocer qué pasó en ese instante fundamental, cuál era la naturaleza de esa explosión, cómo ocurrió, y qué aspectos se dieron cita en su desarrollo para que luego se formara el universo tal como hoy lo conocemos. Una forma de conocer el origen es analizar el universo lejano. Cuanto más lejos miramos, más atrás en el tiempo estamos observando la estructura de un universo cada vez más caliente y más cercano al punto inicial. Sobre estos análisis han habido importantes progresos que continúan en la actualidad con satélites y sondas que analizan el espacio profundo a distancias iguales o superiores a los diez mil millones de años luz.La otra forma es crear aceleradores como el LHC. Efectivamente, el LHC nos permite recrear condiciones similares a las que se produjeron en los primeros instantes de existencia del universo. Así pues, si podemos recrear esos instantes, podemos ver qué sucedió, qué elementos existían, y cómo se desarrollaron en el tiempo. Podemos observar partículas muy energéticas que son fundamentales para conocer el posterior desarrollo del universo. Y podemos conocer si las actuales teorías que predicen ciertos fenómenos y partículas muy energéticas, se dan efectivamente a esos niveles de energía. La gran ventaja del LHC es que podemos recrear un experimento de forma repetida y variando ligeramente los aspectos puntuales del proceso, para de ese modo comprobar qué datos se desprenden del mismo. Esos datos son básicamente rastros de partículas y sus desintegraciones, y otros aspectos que puedan dar información sobre lo que ocurre a energías muy altas, superiores a las usadas en cualquier otro experimento anterior.

De hecho, el LHC no es un solo experimento, ni siquiera es el experimento para encontrar el bosón de Higgs. Ese es un objetivo, sin duda, que ha sido popularizado por la prensa por el ya comentado sobrenombre de “partícula de Dios”, y que realmente interesa, y mucho, a la comunidad científica, ya que su existencia dará un gran apoyo experimental a la Teoría Estándar. Pero el LHC es también un conjunto muy amplio de experimentos, con varios tipos de detectores y equipos de físicos dedicados a ellos, de tal forma que los resultados que se van a obtener van a tener muy diversas consideraciones y requerirán de equipos diversos de investigación. El LHC no promete información: promete terabytes y petabytes de información (1 petabyte=1024 terabytes). Tanta, que ha sido necesario crear filtros para eliminar gran parte de la misma, y quedarse con la más relevante, que será procesada posteriormente a través de una compleja red de ordenadores, conectados en anillos mediante conexiones mil veces más rápidas que Internet. El procesado de estos datos llevará bastantes años, aunque es probable que aspectos relevantes de los experimentos se conozcan durante los próximos cinco a diez años.

Heisenberg y Bohr
Heisenberg y Bohr, dos de los padres de la mecánica cuántica;sus teorías nos introdujeron en el universo subatómico de la materia

El LHC y el conocimiento de la materia.Es indudable que el LHC sirve de base y conforma un conjunto de experimentos que nos van a llevar muy cerca del principio de la materia. En ese sentido, la física teórica del siglo XX, tras sus éxitos con la relatividad general y la mecánica cuántica, está tratando de ir más allá en su afán por conseguir una nueva teoría más completa que las dos anteriores. Se sabe que ambas, relatividad y mecánica cuántica, son formas particulares de una teoría más amplia que tradicionalmente ha sido conocida como GTU (Gran Teoría Unificada) que tiene como base fundir las dos anteriores, en una nueva con el nombre genérico de gravedad cuántica. Es decir, una teoría que tenga en cuenta la gravedad a nivel cuántico. La relatividad es una bella teoría, muy completa, pero es, después de todo, una teoría basada en la física clásica, y no tiene en cuenta los efectos de la mecánica cuántica. Del mismo modo, la mecánica cuántica no ha podido incorporar la gravedad en su formulación, y tras éxitos como la teoría electrodébil y la Teoría Estándar, actualmente dos teorías se conforman como posibles candidatas a una teoría unificada: la gravedad cuántica de bucles, y la teoría de cuerdas. Ambas bailan al son de un sistema matemático que requiere ser comprobado, y el LHC puede abrir muchas puertas a los actuales interrogantes que plantean.Sea como sea, el LHC puede responder a muchas preguntas actuales que se llevan planteando en física teórica y que no han podido tener respuesta hasta ahora. La distancia entre teoría y experimentación se había hecho demasiado grande en los últimos años, y el LHC puede acortar esas distancias de forma considerable, junto a otros experimentos actuales. No se pretende encontrar la última respuesta ni la última teoría final que lo explique todo, es decir, no vamos a encontrarnos con la Ecuación de Dios, aquella que explica el origen, desarrollo, y fin del universo, pero sí vamos a esperar dar importantes pasos en la consecución del conocimiento sobre qué es la materia y la energía, qué es el universo, y cuál es la naturaleza del tejido del espacio-tiempo. Puede llevar años, pero no es arriesgado creer que se van a dar pasos importantes en obtener respuestas a estas preguntas. Naturalmente, y como ocurre siempre en ciencia, ni hay una garantía de éxito, ni se sabe muy bien qué va a ocurrir, qué datos se van a obtener, cómo se van a interpretar, y qué conclusiones se van a lograr discernir. En cualquier caso, como bien apuntan muchos físicos, sean cuales sean los resultados, estaremos dando importantes pasos, bien para avalar las actuales teorías, o bien para refutarlas y buscar mejores alternativas en base a los resultados obtenidos.Más allá de la física teórica de comienzos del siglo XXI.Efectivamente, hemos llegado a la base de todo este compendio de investigación, teorías, y pruebas. ¿Para qué, se pregunta mucha gente, sirve todo esto? ¿Qué utilidad tiene, si es que tiene alguna?La respuesta es bastante clara y directa: el mundo actual, tal como lo conocemos, con sus instrumentos médicos, sus satélites, sus ordenadores, Internet, la aviación, los coches modernos, los nuevos materiales... Todo ello no existiría sin la física teórica de la primera mitad del siglo XX. El mundo desarrollado y gran parte de los elementos empleados en la actualidad basan sus principios en aquellos fructíferos años en los que los físicos desarrollaron la relatividad y la mecánica cuántica, además de otras disciplinas como la física del estado sólido y otros. ¿No deberíamos esperar, por lo tanto, que nuevas revoluciones en la física teórica den nuevos impulsos al conocimiento, y al uso práctico de los mismos? Si la física del siglo XX nos trajo los ordenadores, los satélites, los modernos sistemas de control médico, la propia Internet, y otros elementos, ¿puede ahora la física del siglo XXI conformar una revolución similar?Bien, podemos ser entusiastas y decir que sí. Podemos ser conservadores y decir que no. Y podemos quedarnos en un término medio, y pensar que, quizás no se obtengan avances tan prometedores como los vividos en el siglo XX, pero sí mejoras y novedades importantes en algunas áreas del desarrollo tecnológico. En realidad, es muy difícil discernir las aplicaciones posibles ante una nueva ciencia física con nuevos paradigmas y nuevas bases experimentales sobre la materia, el espacio, el tiempo, y el tejido del universo. Una aplicación potencial es, sin duda, la investigación aeroespacial.La investigación aeroespacial y la física del siglo XXI.Las diferntes tecnologías implicadas en la ingeniería aeroespacial han evolucionado mucho desde su nacimiento, eso es indudable. Desde los hermanos Wright en 1903 para conquistar el cielo, y desde el Sputnik en 1957, la humanidad ha conseguido dejar la superficie terrestre y adentrarse en, como decía Carl Sagan, “la orilla del océano cósmico”. El problema actual no es tanto de ambición, como de falta de interés y de progresos. Por un lado, al terminar la carrera espacial en los años sesenta del pasado siglo XX, se produjo un frenazo enorme a la investigación espacial. Por otro lado, los ingenieros se encuentran con limitaciones que son las mismas desde hace sesenta años. Básicamente sus trabajos de desarrollo en llevar a cabo proyectos de ingeniería para el espacio se basan en el modelo de la física de principios del siglo XX. Los cohetes y el combustible que los mueve son toscas máquinas para que el ser humano viaje al espacio. Basadas en reacciones químicas clásicas, las actuales naves, satélites, sondas y estaciones espaciales no son sino imágenes en el borde del espacio de aquellas canoas que nuestros antepasados usaron para adentrarse en el mar hace cincuenta mil años. Eso por no hablar de la aviación comercial y militar, que sigue basándose en los mismos principios y que no ha obtenido mejoras remarcables en los últimos cincuenta años tras conseguir el vuelo a reacción. Por supuesto se han mejorado aspectos como el consumo, la comodidad, los materiales, y la tecnología, pero, en los aspectos generales, se puede decir que un Airbus A380 se sirve de los mismos principios y obtiene prestaciones finales similares al veterano Boeing 707, al Douglas DC-8 o al Lockheed Tristar. No desde un punto de vista ergonómico y de eficiencia, pero sí desde el punto de vista de los principios físicos fundamentales.Qué puede aportar la física del siglo XXI.El LHC y otros experimentos nos sumergen en nuevos mundos. Esos nuevos mundos plantean retos complejos, y a veces nos llevan a conclusiones que poco tienen que ver con el sentido común. Con el LHC y con la física del siglo XXI entramos en la naturaleza de la propia materia y de la energía. Cortamos, o al menos lo intentamos, el espacio-tiempo para ver de qué está compuesto. Investigamos la propia naturaleza básica que da sentido al cosmos. Es, sin ningún género de dudas, la entrada al corazón de la propia esencia del universo. Lo que allí encontremos puede, con el paso del tiempo, y con mucha dedicación y esfuerzo, abrir las puertas a nuevas e insospechadas ideas, conclusiones, y, especialmente para lo que nos ocupa, aplicaciones.Efectivamente, tras el conocimiento viene la aplicación. Las ideas obtenidas en experimientos aparentemente fútiles, son muchas veces la semilla de nuevas líneas de investigación en física aplicada. La ciencia básica es la puerta que abre todo un universo de posibilidades. El conocimiento es la llave del progreso. Y el conocimiento de los aspectos más secretos y bien guardados de la naturaleza, son, posiblemente, la llave de nuevas líneas de trabajo para el desarrollo de ciencia aplicada.La aplicación de la relatividad y la mecánica cuántica nos dieron nuestro mundo tecnológico actual. La aplicación de las actuales investigaciones nos pueden llevar a concebir proyectos de transporte aeroespacial que ahora quizás ni podamos imaginar. Si dominamos la base de la materia, la energía, y el espacio-tiempo ¿podremos manipularlos y emplearlos para nuestro beneficio? ¿Podremos convertir las actuales limitaciones físicas en posibilidades de ingeniería en el futuro?

LHC Estructura
Modelo de los sistemas de detección instalados en el LHC

Tecnología Aeroespacial sobre una base científica.No debemos dejarnos llevar por la imaginación de la ciencia ficción si queremos crear ciencia. También es cierto que no debemos ser conservadores si queremos encontrar potenciales nuevas fórmulas para el desarrollo de la ciencia y la tecnología. Es pues el equilibrio entre ambas facetas lo que puede dar lugar a la creación de nuevas tecnologías en base a nuevos descubrimientos. Partimos de la base de que hablar de aplicaciones es algo muy precipitado, pero no debemos olvidar que el fin de la ciencia es el conocimiento y su aplicación práctica. El conocimiento por sí mismo es muy importante, pero son las soluciones que se puedan desarrollar sobre ese conocimiento las que dan un valor añadido a la investigación de base. No siempre es aplicable de forma inmediata, pero está demostrado que descubrimientos aparentemente estériles e inútiles, luego han aportado, quizás junto a otras investigaciones, soluciones y desarrollos muy beneficiosos.Los conocimientos sobre la estructura más íntima de la materia, la energía, el espacio, y la estructura del espacio y el tiempo, pueden abrir nuevos caminos para la tecnología aeroespacial. Y pueden hacerlo quizás de una forma no prevista hasta ahora, precisamente porque hasta ahora no hemos conocido más que aspectos generales de la estructura de estos componentes básicos que conforman el universo. Las puertas que se abren podrían, en un tiempo más o menos lejano, permitir la concepción de aeronaves que pudieran usar nuevos principios que no estén basados en la mecánica newtoniana y en los conceptos tradicionales de masa y energía que ahora son la base de cualquier desarrollo de ingeniería para el transporte. Nunca se podrán violar leyes fundamentales del universo, es evidente, pero el problema es que, a día de hoy, no conocemos bien esas leyes, y comprobamos que materia y tiempo están conformados por estructuras que siguen procesos todavía desconocidos. Las antiguas leyes, las clásicas constantes, según algunas teorías e ideas actuales no serían sino derivadas de otros elementos más básicos. Esto no sería nuevo, ha ocurrido ya en anteriores ocasiones, como, por ejemplo, cuando la Relatividad General demostró que la Gravedad no era una fuerza en sí misma, sino una deformación del espacio-tiempo debido al campo gravitatorio que genera un cuerpo en el espacio. Luego, podría ocurrir, de un modo similar, que las actuales constantes y leyes fuesen manipulables simplemente porque obedecen a un orden inferior o porque se han de reinterpretar. Y, si no conocemos las leyes básicas, es evidente también que no podremos aprovechar su naturaleza para obtener el mayor beneficio en forma de adelantos tecnológicos que obtengan el mayor potencial de las mismas. Experimentos como los del LHC en el CERN pretenden obtener información de primera mano sobre estas hipótesis y teorías.

El Paisaje CósmicoEl Paisaje Cósmico, de Leonard Susskind, explica la teoría de cuerdasy el concepto de multiversos; interesante obra con grandes seguidores y detractores

Resumen.Nos gustaría cerrar este pequeño artículo con promesas de grandes adelantos sorprendentes, con algún prototipo de aeronave que pudiera aprovechar conceptos e ideas basados en la física teórica del siglo XXI. Desgraciadamente, eso sería entrar en un terreno altamente especulativo y de ciencia ficción a día de hoy. Preferimos quedarnos en la idea, en el concepto, de que es posible que se abran puertas, que aparezcan nuevas ideas, incluso ideas revolucionarias, en el transporte aeroespacial a lo largo del siglo XXI, fruto de las actuales investigaciones sobre física básica, que se llevan a cabo en el CERN y en otros lugares, con instrumentos cada vez más potentes, precisos, y que permiten obtener cada vez más información sobre la estructura última del universo.Pero hay algo que sí queremos dejar muy claro: las investigaciones que se realizan en estas materias son una oportunidad de abrir nuevos caminos. Y son una oportunidad de encontrar salidas a los problemas que acucian a la humanidad, especialmente en la gestión de recursos, la energía, y el transporte. Por no hablar de otras muchas aplicaciones actuales y futuras. Son, por lo tanto, estas investigaciones, una actividad que consideramos fundamental, y todos los recursos que se apliquen en estos campos pueden abrir nuevas puertas a toda la humanidad. Lejos de pretender que el gasto en estas investigaciones son una pérdida de tiempo y de dinero, la realidad es que, como ya ocurrió en el pasado, la investigación en ciencia básica puede dar forma a nuevas formas de entender el universo en el que vivimos, y, de ese modo, mejorar nuestras posibilidades de cara al futuro. Es, pues, una inversión en un seguro para la humanidad. No sabemos si ese seguro contendrá cláusulas que limiten nuestras posibilidades. Pero debemos intentarlo, se ha demostrado ya en el pasado que merece la pena. No hacerlo sería lanzarnos al vacío del bloqueo científico y tecnológico, y dejar de evolucionar en los campos que requieren de avances importantes para salir de una situación que, se ha demostrado, es como mojar los pies en la orilla del océano. Si queremos tener una posibilidad de desarrollar formas de transporte tan revolucionarias como en su día lo fueron el avión y motores como el reactor, debemos ahondar en el fondo del conocimiento más profundo de la naturaleza para buscar claves que nos permitan ir más allá. Es un reto que sin duda merece la pena.


Web oficial LHC.
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