Para los físicos, la energía negativa es todo un enigma. Una de esas cuestiones que la ciencia tiene pendiente resolver. Algo que aparece en las soluciones de las fórmulas matemáticas de sus dos teorías modernas más exitosas, la relatividad y la cuántica, y también en las de la física clásica. Un cambio de signo algebraico para algo tan fundamental como la energía que no tiene un referente claro en los modelos físicos actuales. Pero, si estoy escribiendo esta entrada en el blog, no es porque me guste divulgar sobre lo que ignoramos, es porque con la teoría de ruedas confío en mostrar, con suficiente claridad, dónde está el quid de esta cuestión en lo que respecta a los fotones, los cuantos de energía.

Qué te parece si empezamos recordando la definición de energía, a secas, que en física, más o menos, es: la capacidad que tiene algo de realizar trabajo, de generar cambio, de producir movimiento, calor, luz, etc. Yendo un poco más allá y dependiendo del ámbito en el que queramos estudiar sus efectos, seremos más rigurosos si le añadimos diferentes adjetivos. Así, la energía puede ser: mecánica, cinética, potencial, gravitatoria, elástica, electromagnética, radiante, luminosa, calórica, eléctrica, electrostática, magnética, química, de ionización, de enlace, de fisión, de fusión, eólica, mareomotriz, hidráulica, etc.

Un ejemplo de energía negativa en la formulación clásica de la mecánica de Newton es la energía potencial gravitatoria de dos masas, que crece en cada una de ellas cuando aumentamos la distancia que las separa. Dado que la gravedad mutua no tendría efecto sobre ninguna de las dos cuando estuvieran separadas por un espacio infinito, que la energía potencial gravitatoria sería cero en esas circunstancias y que la única forma de expresar matemáticamente algo que crece aproximándose a cero es asumiendo que tiene valores negativos, es preceptivo que aparezca un signo menos en la fórmula.

La relatividad general también admite resultados negativos para la energía, pero tampoco aclara de qué diablos se trata. Un ejemplo muy mediático es la métrica de Alcubierre para el llamado «Warp Drive». Una solución teórica para los desplazamientos por el cosmos a velocidades cercanas, o incluso superiores, a la de la luz. Se trata de ir comprimiendo el espacio-tiempo delante de una especie de «burbuja» para expandirlo por detrás de ésta. Los desplazamiento por curvatura o distorsión son perfectamente consistentes con los principios de la relatividad de Einstein, sin embargo, cuando pensamos en hacerlos realidad, encontramos algunos problemillas. Para empezar, desplazar la masa de esa supuesta «Enterprise» requeriría una cantidad más que ingente de energía, por otro lado, ésta habría de ser, inevitablemente, energía negativa.

Pero el tema que nos ocupa corresponde al ámbito de la física cuántica y ahí resulta especialmente interesante el ejemplo de la ecuación de Dirac, que permitió introducir los criterios de la relatividad especial en la ecuación de la función de onda de Schrödinger para describir el movimiento de los electrones. Al principio fue desconcertante porque esta famosa ecuación matricial arroja cuatro soluciones y en dos de ellas la energía tiene signo negativo. Afortunadamente, gracias a eso pudo inferirse la existencia del positrón, una partícula con carga eléctrica positiva, en lo demás, idéntica al electrón y que, al igual que éste, puede encontrarse en dos posibles estados de espín: arriba y abajo. El espín en cuántica debe asumirse como una cualidad física «intrínseca» de las partículas, relacionada de alguna manera con el concepto clásico de momento angular. Vamos, como un giro… que no es un giro. Ya sabes, si en cuántica crees haber entendido algo, es que no has entendido nada… ¡tú, calla y calcula!

Eso no ocurre en la teoría de ruedas. Pero, si por un casual te perdieses, sería sólo por mi culpa. Por no haber sabido explicarme con suficiente maestría o porque no habré logrado disuadirte de que debemos desprendernos del sesgo cognitivo contra el que se estrellan muchos de los posibles avances de la física fundamental desde hace más de un siglo. Me refiero a la creencia dogmática actual de la inexistencia del «éter». Una palabra tabú, cuyo uso se restringe a ejemplarizar lo que nunca debe volver a proponerse en física.

Para gran parte de los divulgadores hay una fórmula magistral con la que convencer al respetable público de que todas las teorías sobre el éter fueron errores del pasado. Primero se hace referencia al resultado nulo del experimento de Michelson-Morley de 1887, que pretendía aprovechar el hecho de que la Tierra se mueve alrededor del Sol, para medir la diferencia en la velocidad de la luz en dos direcciones perpendiculares entre sí. Después, basta con exponer el hecho de que Einstein calificó al éter de «superfluo» para su paradigmática teoría de la relatividad de 1905.

Sin embargo, ahí subyace una evidente contradicción. La teoría especial de la relatividad tiene como premisa que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores inerciales, sea cual sea su marco de referencia. Por tanto, el experimento de 1887 lo que hizo fue, simplemente, demostrar que sumar o restar velocidades a la de la luz, aplicando la teoría de la relatividad clásica de Galileo, es erróneo. También ponía de manifiesto la urgente necesidad de buscar una teoría más completa sobre el espacio y el tiempo relativistas, como la que propusieron Lorentz y FitzGerald. Pero, sin duda, lo que no demostró fue la inexistencia del éter.

Por otro lado, la relatividad especial exige que los observadores se muevan en marcos de referencia inerciales, en línea recta y a velocidad constante, por tanto, también es necesario que los experimentos mentales que se pensaran en ese contexto excluyeran la posibilidad de que se produjese cualquier aceleración o deceleración debida a la interacción con el medio, de ahí que el éter fuese considerado un estorbo para esta teoría, lo cual no es reprochable. Es práctica común de los físicos deshacerse de lo que les puede complicar la vida. Siempre es preferible simplificar al máximo las condiciones iniciales ante cualquier problema. Pero eso tampoco es un argumento válido para demostrar la inexistencia del éter. Y es curioso que casi nunca se mencione el hecho de que Einstein, mientras creaba la teoría de la relatividad general y en sus conferencias posteriores, hablaba con toda naturalidad del éter gravitatorio y electromagnético.

Recordemos que Galileo tuvo que despojar de su mente el sesgo que suponía la experiencia cotidiana casi inadvertida de que el medio aéreo frena la caída de los objetos para demostrar que, en el «vacío», todos los cuerpos caen con la misma aceleración debido a la gravedad. Lo que, por supuesto, no supuso en modo alguno la demostración de la inexistencia de la atmósfera, ¿verdad?

Entonces, desprendámonos en lo posible de los sesgos y consideremos si la energía, en el nivel fundamental, podría definirse como: la capacidad que tiene el éter en movimiento de interactuar con la materia. Porque la energía solamente puede inferirse midiendo los efectos de sus campos sobre las partículas materiales. Y, por su lado, las partículas masivas tendrían la propiedad de mantener, por inercia, los efectos de las interacciones con esos campos energéticos, es decir, la materia podría «almacenar» energía. De ahí que no podamos desligar fácilmente los conceptos de materia y energía. Ambos son interdependientes. Pero eso no implica que sean permutables, como algunas interpretaciones de la famosa ecuación de la energía de Einstein parecen dar a entender, y ese es un asunto sobre el cual los científicos no deberían dejar de debatir.

Si has leído mi libro o las entradas del blog, ya debes saber que en esta teoría expongo la hipótesis de que los electrones y positrones, a los que se refiere la ecuación de Dirac, son «ruedas» con respectivas cargas eléctricas negativa y positiva. Te recuerdo que la rueda es un sistema compuesto por una estructura giratoria, formada por la unión de un número determinado de mesones primordiales, perfectamente posicionados, que tiene la capacidad de capturar y almacenar en su interior a los fotones, y que la energía cuantizada del fotón es la que proporciona a este sistema el momento lineal, momento angular y otras cualidades correspondientes a las observaciones experimentales que se han realizado sobre los leptones. Entender esa interacción del fotón en el seno de la estructura de la rueda es lo que nos permite inferir qué es la energía negativa.

En teoría de ruedas, los fotones son anillos de vórtice en el éter, paquetes energéticos inmateriales concentrados en campos vorticiales toroidales. No te asustes… parece complicado, pero no lo es en absoluto. Son como los anillos de humo que todos hemos visto alguna ver saliendo de la boca de un fumador ocioso pero hechos, no en el aire,  sino en el éter. Según las leyes de la mecánica de fluidos y, más concretamente, según la dinámica de vórtices, creada por Helmholtz en el siglo XIX: en un fluido perfecto, incompresible y con viscosidad nula, una vez formados los anillos de vórtice, éstos podrían mantener su forma y se desplazarían en línea recta a través del fluido para siempre. Claro está, siempre que no se encuentren algún obstáculo en su camino.

No te pierdas el siguiente vídeo de una desdichada medusa en el que la dinámica del anillo de vórtice se hace evidente.

En el vídeo anterior, hemos observado claramente que el anillo de vórtice se desplaza, de manera natural, en el mismo sentido que los flujos de la parte central del toroide. Eso también sería válido para los fotones que se desplazan libremente. Sin embargo, tengo buenas razones para pensar que, cuando los fotones son capturados por las ruedas, éstos transfieren su energía a la estructura mediante una «interacción inversa».

Vale, eso ha sonado raro, lo reconozco. Voy a intentar explicar qué es eso de la «interacción inversa» con la siguiente analogía que, por supuesto, es imperfecta y deja mucho que desear: visualiza la técnica que utiliza un equilibrista para desplazarse sobre una pelota… ¿lo ves?, cuando pretende moverse hacia adelante, debe caminar hacia atrás. Pues, sería lo mismo para un fotón cautivo. En esas circunstancias, el sentido en la dirección del desplazamiento de la rueda sería inverso al que consideraríamos natural para un fotón libre.

Te preguntarás cuáles son esas «buenas razones» para afirmar lo anterior. Te las cuento enseguida, pero antes déjame que llame tu atención sobre lo que supone una inversión del sentido natural de movimiento en el espacio-tiempo de un fotón. Sin duda, para describir esto en el lenguaje matemático de la teoría de la relatividad se requiere un cambio de signo algebraico. Un cambio de signo en un parámetro fundamental del espacio-tiempo que afecta a un cuanto de energía. Y no un parámetro cualquiera, se trata de la inversión del sentido en la dirección del movimiento a velocidades relativistas que afectaría tanto a la dimensión espacial, como a la temporal. Aunque, eso de la dimensión espacial y temporal del propio éter es algo que merece ser largamente debatido.

Pero, espera… ¿un cambio de signo en un cuanto de energía? Entonces, si llamamos «cuanto de energía positiva» al fotón libre, ya sabemos qué es un «cuanto de energía negativa»: un fotón cautivo en el seno de una rueda, ¿no?

Bueno, en realidad no es tan fácil. Esta última afirmación habría que restringirla a las ruedas que se mueven libres por el espacio, sin influencias externas. Además, según esta teoría, también existirían fotones de energía negativa que no estarían posicionados en el interior de las ruedas. La descripción de cómo afecta al signo de los fotones la interacción con las ruedas que forman parte de los átomos requiere unos cuantos párrafos adicionales.

Y es ahora cuando debo explicar sin más demora esas «buenas razones» para que quede claro en qué baso esas afirmaciones. No las he expuesto antes porque esto va a alargar esta entrada de mi blog un poco más de lo que sería de desear y he preferido adelantar el final para que la mejor parte no pillase al lector exhausto. Así es que, si con lo que has leído tienes clara la idea básica y no deseas profundizar más, puedes dejarlo aquí. No pasa nada. Pero, si te has quedado con ganas de más, sigamos adelante.

El principal problema de la física cuántica, a mi juicio, es que su modelo es sólo matemático, no dispone de un modelo físico que permita visualizar con naturalidad lo que ocurre en un entorno subatómico. Eso precisamente es lo que marca la diferencia con la teoría de ruedas. Aquí encontraras una imagen nítida de lo que es cada componente del átomo y como interactúan entre sí. Con mi modelo podemos visualizar por qué Schrödinger, con su mecánica ondulatoria, obtuvo los mismos resultados que Heisenberg, Born y Jordan, con la mecánica de matrices, a pesar de tener puntos de partida completamente diferentes.

Heisenberg dejó claro que, si obtuvo una fórmula correcta para la explicación de los fenómenos relacionados con las líneas espectrales, fue únicamente porque se dejó llevar  por la simplificación que suponía el tratar con osciladores armónicos unidimensionales. También Schrödinger, sin tener una imagen mental completa del modelo de átomo, pero creyendo posible un retorno a la física clásica determinista, definió matemáticamente el mismo movimiento armónico de los electrones. Y, antes que ellos, J.J. Thomson, con su rudimentario modelo de átomo, pudo explicar el tamaño de las «órbitas» de los electrones gracias a que introdujo la constante de elasticidad que los hacía oscilar. La oscilación armónica unidireccional de los electrones en el átomo, llevado al modelo de ruedas, se traduce en los constantes rebotes de los electrones sobre los protones del núcleo atómico.

Observamos que el cambio constante en el espín del electrón, debido a los continuos rebotes, no es una cualidad extraña que no se pueda explicar con la mecánica clásica. El electrón siempre gira en el mismo sentido, con el mismo momento magnético. Pero cuando es impulsado se mueve en sentido opuesto a cuando es atraído; por tanto, en el primer caso gira a favor; y en el segundo, en contra de lo que sería de esperar según fuera su momento lineal; o, dicho de otra forma, con helicidad opuesta. La ecuación de Dirac muestra eso mismo, pero referido a la energía de los cuantos cautivos en el interior de electrones o positrones, que tendrán signo positivo cuando las ruedas sean atraídas hacia el núcleo atómico y signo negativo cuando sen alejen de él o cuando se desplacen libres por el espacio.

En está dinámica de rebotes se producen interacciones constantes con el éter. En una de esas interacciones debe darse en el rebufo de un electrón, cuando es atraído hacia el núcleo. Es allí donde se irían generando nuevos fotones en forma de cuantos de energía negativa. Cuando se produjese el rebote sobre el protón, el electrón cambiaría de dirección y sería entonces cuando el fotón recién generado quedaría libre, en forma de cuanto de energía positiva, y se alejaría del átomo en la misma dirección en la que fue creado, pero en sentido opuesto.

Esa energía se pone de manifiesto en el estudio de las líneas espectrales del átomo y es proporcional a la distancia que recorra el electrón en su retroceso hacia el núcleo. A su vez, la distancia recorrida dependerá directamente de la energía acumulada en el fotón cautivo en cada electrón, que siempre depende de las oportunidades que haya tenido éste de capturar los fotones libres que se muevan en el entorno del átomo que lo retiene ligado al núcleo en los sucesivos rebotes.

Y ahora es cuando viene la mejor de esas «buenas razones» de las que te hablaba. Porque, por la descripción que hizo Einstein del efecto fotoeléctrico, sabemos que, si la energía de los fotones capturados por el electrones supera un cierto umbral, éstos podrán alejarse lo suficiente para escapar de la influencia electrostática de los protones del núcleo atómico y se observará un flujo eléctrico saltando desde la superficie de la placa de metal (-) hasta la placa colectora (+), que deberán estar integradas en un circuito electrónico cerrado, salvo por el espacio que existe entre sendas placas.

Y esto sólo es posible porque los fotones no tienen masa, son éter en movimiento, y porque durante la captura no se ha producido ningún choque, elástico o inelástico, entre partículas. El fotón, al ser capturado, invierte bruscamente el sentido en la dirección de su movimiento y su energía es usada inmediatamente por el electrón para aumentar la velocidad con que se aleja del núcleo atómico. Si esta inversión de la energía no se diera en absoluto, el fotón reduciría la velocidad del electrón, lo haría retroceder hacia el núcleo, o lo lanzaría hacia el interior de la lámina de metal, y eso no es lo observado en el experimento.

De todo lo anterior deduciríamos que podremos denominar «cuanto de energía positiva» o «cuanto de energía negativa», a todo aquel fotón cuyo sentido en la dirección de su desplazamiento fuese, respectivamente, coincidente o contrario al que le sería natural según la dinámica de los anillos de vórtice. Independientemente de que el fotón forme parte de la rueda o no.

En cualquier caso, antes de finalizar, he de decir que lo que acabo de mostrarte me permite asir la esperanzadora idea de que, quizás, las matemáticas que describan, sin incertidumbres, el desplazamiento de los leptones por el espacio-tiempo podrían basarse en la métrica de Alcubierre, en la dinámica de vórtices de Helmholtz o en ambas. Es decir, la relatividad general y/o la mecánica de fluidos, con un poco de suerte y mucho trabajo, podrían explicar fenómenos cuánticos de manera casuística, no azarosa, y eso me pone el vello de punta, porque supondría que estaríamos a un paso de encontrar la «teoría del todo» que incluyera la descripción de la dinámica de la interacción, a nivel subatómico, que subyace a la experiencia macroscópica cotidiana de la gravedad.