Los mayores avances de los últimos 25 años:
* Masa de neutrinos: sorprendentemente, los neutrinos tienen una masa distinta de cero, que proporciona una ventana a la física de partículas más allá del modelo estándar. EL MODELO ESTÁNDAR ha recibido mucha atención recientemente. Esto es bien merecido en mi opinión, teniendo en cuenta que la gran mayoría de sus predicciones se han hecho realidad, la mayoría de las cuales se hicieron a fines de la década de 1960. Sin embargo, es aburrido cuando las cosas funcionan demasiado perfectamente, porque entonces no sabemos en qué camino continuar. Ahí es donde entra la masa de neutrinos. Primero, ¿qué son los neutrinos? Los neutrinos son una partícula fundamental que tiene la propiedad especial de que apenas interactúan con otras partículas. Hay cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza: electromagnetismo, gravedad, fuerte (mantiene unidos los quarks para crear neutrones y protones) y débil (responsable de la radioactividad y la fusión nuclear). Podemos diseñar experimentos que nos permitan observar neutrinos. Hemos aprendido que son eléctricamente neutros, por lo que no se ven afectados por el electromagnetismo. Apenas se ven afectados por la fuerza fuerte, si es que lo hacen. Tienen una masa extremadamente pequeña, por lo que la gravedad actúa sobre ellos sutilmente. La forma principal en que interactúan con su entorno es a través de la fuerza débil. Aquí está lo sorprendente: ¡solo las versiones realmente torpes del modelo estándar pueden permitir una masa de neutrinos distinta de cero! Por lo tanto, cuando se estableció experimentalmente una masa pequeña pero distinta de cero en 1998, obtuvimos uno de nuestros primeros puntos de apoyo en la física de partículas más allá del modelo estándar. Esto es particularmente importante hoy, porque hasta donde sé, el LHC aún no ha descubierto ninguna otra física nueva más allá del modelo estándar. El mecanismo detrás de la masa de neutrinos aún no se entiende. Además, los neutrinos tienen un montón de otras propiedades extrañas que entendemos empíricamente, pero no sus orígenes teóricos. El más extraño de los cuales se conoce con el nombre de oscilaciones de neutrinos. En una oración: hay tres tipos diferentes de neutrinos, y pueden transmutarse espontáneamente de un tipo a otro.
Algoritmo de Shor: una computadora cuántica puede factorizar N = 1433301577 en 37811 * 37907 exponencialmente más rápido que una computadora clásica. Este resultado de Peter Shor en 1994 es cercano y querido para nuestros corazones cuánticos. ¡Abrió las compuertas mostrando que hay tareas que una computadora cuántica podría realizar exponencialmente más rápido que una computadora clásica y, por lo tanto, deberíamos obtener GRANDES $$$ del mundo para avanzar en nuestro campo! La tarea aquí es factorizar grandes números en sus factores primos; cuya dificultad ha sido la base de muchos protocolos criptográficos. En una oración, el algoritmo de Shor logra esta aceleración exponencial porque hay un paso en el algoritmo de factorización (búsqueda de períodos) que se puede realizar en paralelo a través de la transformación cuántica de Fourier.
- Como los neutrones no tienen carga eléctrica, ¿por qué no se fusionan?
- ¿Por qué decimos que estamos viendo el pasado del universo?
- ¿Cuál es la relación entre el campo de Higgs y nuestra concepción actual de la materia oscura (por ejemplo, WIMP)?
- ¿Qué significa que una teoría de indicadores tenga una anomalía?
- ¿Hay / podría haber (algo) que no podamos entender sobre el universo debido a nuestra condición?
* Universo acelerado: el universo se está expandiendo, y la tasa de esta expansión está aumentando. Este resultado ha sido la fuente de una increíble cantidad de ideas falsas. Primero, ¿cómo sabemos que esto está sucediendo? En la década de 1920, los astrónomos descubrieron que algunas de las ‘estrellas’ realmente débiles que vemos en el cielo nocturno son en realidad galaxias distantes. Poco después, se descubrió que estas galaxias en realidad se están alejando de nosotros y alejándose unas de otras. Los astrónomos descubrieron que el universo se está expandiendo. Ahora, recuerde que los fotones viajan a una velocidad fija, la velocidad de la luz. Entonces, los fotones que golpean nuestros telescopios provenientes de una galaxia a mil millones de años luz de distancia, han estado viajando durante aproximadamente mil millones de años (debe corregir el universo en expansión, así que sí, hacemos suposiciones y construimos un modelo). Las supernovas IA tienen la propiedad especial de que diferentes instancias producen una luminosidad máxima constante, por lo que podemos usar este hecho para determinar con precisión su distancia. En 1998, al estudiar las supernovas de tipo IA, los astrónomos pudieron comparar la tasa de expansión del universo entre galaxias de edades muy diferentes. De esto, aprendieron que las galaxias se están alejando unas de otras mucho más rápido ahora que hace miles de millones de años, y por lo tanto, la tasa de expansión se está acelerando.
La pregunta es, ¿cómo sucede esto? La respuesta corta es que no lo sabemos, pero creemos que la respuesta debería llamarse “energía oscura”, y hablaremos de esto a continuación. Otra cosa a destacar es que las ecuaciones de relatividad general de Einstein naturalmente incluían un término (
) que retrospectivamente, describe adecuadamente la física de un universo acelerado. Einstein y otros físicos estaban inquietos por este término en ese momento. Otro punto es que hay toda una red de ideas interrelacionadas, que tienen nombres complicados, y esta interacción a menudo hace tropezar a las personas. Algunas de estas ideas incluyen: inflación, universo acelerado, constante cosmológica, big bang, energía de vacío, energía oscura, etc. Aquí está mi resumen de estilo CliffsNotes:
- El Big Bang. El universo comenzó de alguna manera. Probablemente fue algún tipo de fluctuación cuántica.
- Inflación. ¡Durante los primeros momentos después del Big Bang, el universo, que es sinónimo de ‘espacio-múltiple’, se expandió INCREÍBLEMENTE RÁPIDAMENTE! Este fue un fenómeno de corta duración y es diferente al ‘universo acelerado’. Una de las mayores sorpresas sobre este período de inflación es que, ¡el espacio-tiempo PUEDE expandirse MÁS RÁPIDO QUE LA VELOCIDAD DE LA LUZ! Es como tener una caja, donde todo lo que vive dentro de la caja tiene un límite superior de lo rápido que puede viajar, pero la caja en sí puede cambiar de tamaño y, en particular, puede expandirse más rápido que el límite superior de las velocidades de viaje locales para partículas dentro. Tuve pesadillas cuando era niño tratando de conciliar estas ideas. ¡Puedes preguntarle a mi mamá, ella lo verificará! Estas ideas comienzan a tener sentido después de que puedes jugar con la métrica FLRW. Esto tiene todo tipo de locas consecuencias sobre nuestro universo observable y el horizonte cosmológico. La inflación todavía es especulativa, pero ha hecho muchas predicciones verificadas experimentalmente, sobre todo sobre la estructura del fondo cósmico de microondas (CMB), y explica por qué el universo es tan homogéneo, isotrópico y plano. Otra pregunta interesante es, ¿cuál es la geometría global de nuestro universo?
- Universo acelerado. Después del período inflacionario inicial, el universo continuó expandiéndose, y esta tasa de expansión ha ido en aumento. Esto está muy bien probado experimentalmente. El mecanismo para esto tiene muchos nombres diferentes: energía oscura, la constante cosmológica, energía de vacío, etc.
Planetas extrasolares: en las últimas dos décadas, hemos detectado ~ 1000 planetas fuera de nuestro propio sistema solar. Como prerrequisito para encontrar vida extrasolar, a menos que nos encuentren primero, necesitamos descubrir hogares candidatos. Solo hemos tenido la capacidad de encontrar planetas fuera de nuestro sistema solar durante las últimas dos décadas más o menos. El ritmo de estos descubrimientos se aceleró cuando observatorios basados en el espacio como Kepler y COROT entraron en línea. Los métodos que utilizamos para detectar exoplanetas son extremadamente geniales. Caltech está muy involucrado en estos esfuerzos. Desafortunadamente, a partir de agosto pasado, 2 de cada 4 de las ruedas de reacción de Kepler ya no están operativas. He aquí una idea para un ambicioso proyecto de la Feria de Ciencia e Ingeniería de Intel (ISEF): proponer un nuevo plan de misión para Kepler. Puntos de bonificación si se trata de encontrar exoplanetas. Doble puntaje de palabras si la misión se vuela. Puntaje de palabras triples si encuentra un exoplaneta. Eres mi héroe si hay vida en dicho exoplaneta.
* Bosón de Higgs: la teoría cuántica de campos es difícil de explicar en una oración. El “campo” de Higgs impregna todo el espacio; las excitaciones en este campo se interpretan como partículas (bosones de Higgs); Estas partículas dan masa a otras partículas. ¿Qué puedo decir que no se haya dicho infinitamente más elocuentemente durante el último mes?
Corrección de errores cuánticos (QEC): queremos proteger la información cuántica del ruido. También enfrentamos este desafío con las computadoras clásicas. Sin embargo, las cosas son más difíciles con las computadoras / información cuántica por al menos dos razones. El teorema de no clonación nos dice que no podemos copiar información cuántica desconocida, que es un paso necesario para muchos protocolos clásicos de corrección de errores, como codificar la cadena de bits 01011 en 000111000111111. No podemos hacer eso con información cuántica. También resulta que nuestro enemigo es formidable: estamos luchando contra la decoherencia. Una forma de pensar en la decoherencia es que cada sistema cuántico interactúa con su entorno, creando enredos entre los dos, ya que no podemos controlar el entorno (tanto grande como desconocido), perdimos el control de nuestro sistema cuántico. Es difícil imaginar un lugar mejor para aprender sobre QEC que a partir de las notas de John. Estas ideas también están comenzando a infiltrarse en otras áreas de la física, como la forma en que la gente piensa sobre los agujeros negros.
Creo que estos son los mayores avances …
Gracias…
