“Un grupo de científicos lleva a cabo investigación de carácter teórico en física estadística y sistemas complejos que incluye procesos estocásticos, comportamiento fuera del equilibrio, fenómenos críticos, sistemas desordenados y caos espacio-temporal.

Estan interesados en los estados dinámicos, patrones, formas y estructuras complejas que aparecen de manera genérica de la competición entre ruido e interacciones no lineales entre los componentes individuales, partículas o grados de libertad en sistemas físicos complejos.”

IFCA > IFCA | Instituto de Física de Cantabria

Física Estadística de no-equilibrio y caos.

Es curioso como en el Universo las cosas tienden a repetirse. La Naturaleza tiene sus leyes para crear las cosas de la manera más sencilla y económica posible y siempre, tiende a ser práctica dando formas que contribuyen a la estabilidad individual y de conjunto. Son esféricos los mundos, tienen forma de inmensos platillos volantes las galaxias, podemos ver como las inmensas nebulosas se esparcen por el espacio interestelar formando nuevas estrellas y ese suceso se repite una y otra vez en nuestra Galaxia y en todas las demás. Todo es fruto de dos fuerzas contrapuestas que hace estable las cosas: Un átomo tiene el núcleo con los protones cargados positivamente y, la presencia de electrones con la misma carga negativa, hace posible que existan y se puedan unir para formar moléculas y éstas a su vez para formar cuerpos.

Siempre está presente el hecho de que pueda ocurrir un suceso en particular. Generalmente consideramos a la probabilidad como un axioma matemático que estima la tendencia que tiene algo a ocurrir en el universo físico. Pero la probabilidad es algo que existe en la naturaleza, embebida en las fluctuaciones cuánticas. Esto, en otras palabras, significa  que al tirar una moneda al aire, o al realizar cualquier acción, detonamos un proceso cuántico a nivel molecular que es el que determina de que lado cae. Lo interesante aquí es que se plantea que el mundo cuántico, con todas sus extrañas propiedades, define cualquier situación de la realidad  macroscópica.

No pocas veces hemos oído decir que el Universo surgió de una fluctuación del vacío, de la nada, y, lo cierto es que si surgió es porque había. Nada puede surgir de la NADA. Hay que prestar atención a lo que llamamos fluctuaciones que son desviaciones aleatorias en el valor de una cantidad sobre un valor medio. En todos los sistemas descritos por la mecánica cuántica aparecen las fluctuaciones, llamadas las fluctuaciones cuánticas -incluso en el cero absoluto de temperatura termodinámica como resultado del Principio de Indeterminación o Incertidumbre de Heisenberg-.

Un ejemplo de fluctuaciones nos lo ofrece la nebulosa Boomerang, ubicada a 5.000 años luz de la Tierra en la constelación de Centaurus, tiene una temperatura en centígrados de -272º C,  algo absolutamente inimaginable en términos terrestres. Las nebulosas planetarias, son estrellas nuestro Sol, pero que se encuentran en las fases finales de su vida y que han perdido ya sus capas exteriores. En el caso de la Boomerang, se trata de una nebulosa preplanetaria,

    Inmediatamente antes de la fase planetaria con lo cual todavía no está ni siquiera lo suficientemente caliente como emitir radiación ultravioleta.

Este es el lugar más frío del Universo que está a -272º C

En cualquier sistema por encima del cero absoluto se presentan las fluctuaciones, llamadas fluctuaciones térmicas. Es necesario tener en cuenta las fluctuaciones para obtener una teoría cuantitativa de las transiciones de fase en tres dimensiones. Las fluctuaciones cuánticas pudieron ser las responsables de la formación de estructuras en el universo primitivo.

Podemos hablar de transiciones de fase al referirnos a las características de un sistema y los cambios que allí se producen. Algunos ejemplos de transiciones de fase son los cambios de sólidos a líquidos, líquido a gas y los cambios inversos. Otros ejemplos de transiciones de fase incluyen la transición de un paramagneto a un ferromagneto y la transición de un metal conductor normal a superconductor.

Las transiciones de fase pueden ocurrir al alterar variables como la temperatura y la presión. Un ejemplo de transición de fase a “cámara lenta” -por lo que suele tardar-, es ver como una estrella como nuestro Sol, se convierte en gigante roja primero y en enana blanca después. Existen transiciones prohibidas que, sin embargo, cuando el acoplamiento espín-órbita es tenido en cuenta… ¡se vuelven permitidas!, aumentando su intensidad con la intensidad del acoplamiento espín-órbita. Pero eso, es otra historia.

                   ¿Cómo es algo que durgi8ó de la “nada”? Claro que… ¡Si surgió es porque había!

                            La materia siempre está implicada cuando hablamos de fluctuaciones

¡Tiene y encierra tantos misterios la materia!…,  que estamos aún y años-luz de saber y conocer sobre su verdadera naturaleza. Es algo que vemos en sus distintas formas materiales que configuran y conforman todo lo material las partículas elementales hasta las montañas y los océanos. Unas veces está en estado “inerte” y otras, se eleva hasta la vida que incluso,  en ocasiones, alcanza la consciencia de SER. Sin embargo, no acabamos de dilucidar de dónde viene su verdadero origen y que era antes de “ser” materia. ¿Existe acaso una especie de sustancia cósmica anterior a la materia? Y, si realmente existe esa sustancia… ¿Dónde está?

Nos podríamos preguntar miles de cosas que no sabríamos contestar.  Nos maravillan y asombran fenómenos naturales que ocurren ante nuestros ojos pero que tampoco sabemos, en realidad, a que son debidos.  Sí, sabemos ponerles etiquetas , por ejemplo, la fuerza nuclear débil, la fisión espontánea que tiene lugar en algunos elementos como el protactinio o el torio y, con mayor frecuencia, en los elementos que conocemos como transuránicos.

A medida que los núcleos se hacen más grandes, la probabilidad de una fisión espontánea aumenta.  En los elementos más pesados de todos (einstenio, fermio y mendelevio), esto se convierte en el método más importante de ruptura, sobrepasando a la emisión de partículas alfa.

¡Parece que la materia está viva!

¿Y la Luz, qué es la Luz? Dicen que el día que sepamos descubrir los misterios que encierran el electrón (e^-) -electromagnetismo-, el fotón (), c, la velocidad de la luz en el vacío -relatividad- y, el cuanto de Planc (h), la constante de Planck, ese día, se habrá conseguido despejar los más grandes misterios de la Naturaleza que están profundamente escondidos en lo que se llama alfa (α), la constante de estructura fina 1/137. Otra vez el dichoso número 137 puro y adimensional, un número que no lo inventaron los hombres y que está en la Naturaleza tal cual, cargado de mensajes que debemos desvelar.

        ¿Qué densidad tendrá la singularidad de un agujero negro?

Muchas son las cosas que hemos podido llegar a saber pero…, muchas más son las que desconocemos. Sabemos que el electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, el antiprotón o antineutrón), y, por tal motivo, han sido denominados leptones (de la voz griega lepto que significa “delgado”). Sin embargo y a pesar de su aparente insignificancia, el electrón es tan importante para nosotros que, simplemente con que su carga variara una diezmillonésima, ¡los átomos no se podrían formar! Y, en ese caso, ¿Qué universo sería el nuestro?

                                                         Controlan la danza de los electrones del Helio

Aunque el electrón fue descubierto en 1.897 por el físico británico Josepth John Thomson (1856-1940), el problema de su estructura, si la hay, no está resuelto.  Conocemos su masa y su carga negativa que responden a 9,1093897 (54)x10^-31kg la primera y, 1,602 177 33 (49)x10^-19 culombios, la segunda, y también su radio clásico. No se ha descubierto aún ninguna partícula que sea masiva que el electrón (o positrón) y que lleve  una carga eléctrica, sea lo que fuese (sabemos como actúa y cómo medir sus propiedades, pero aun no sabemos qué es), tenga asociada un mínimo de masa, y que es la que se muestra en el electrón.

                  Josepth John Thomson

Lo cierto es que, el electrón, es una maravilla en sí mismo.  El Universo no sería como lo conocemos si el electrón (esa cosita “insignificante”), fuese distinto a como es, bastaría un cambio infinitesimal para que, por ejemplo, nosotros no pudiéramos estar aquí .

(“Aunque no se trata propiamente de la imagen real de un electrón, un equipo de siete científicos suecos de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Lund consiguieron captar en vídeo por primera vez el movimiento o la distribución energética de un electrón sobre una onda de luz, tras ser desprendido previamente del átomo correspondiente.

Previamente dos físicos de la Universidad Brown habían mostrado películas de electrones que se movían a través de helio líquido en el International Symposium on Quantum Fluids and Solids del 2006. Dichas imágenes, que mostraban puntos de luz que bajaban por la pantalla fueron publicadas en línea el 31 de mayo de 2007, en el Journal of Low Temperature Physics.

En el experimento que nos ocupa y dada la altísima velocidad de los electrones el equipo de investigadores ha tenido que usar una nueva tecnología que genera pulsos cortos de láser de luz intensa (“Attoseconds Pulses”), habida que un attosegundo equivalente a la trillonésima parte de un segundo”.)

¡No por pequeño, se es insignificante! Recordémoslo, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

Louis de Broglie

En realidad, existen partículas que no tienen en absoluto asociada en ellas ninguna masa (es decir, ninguna masa en reposo).  Por ejemplo, las ondas de luz y otras formas de radiación electromagnéticas se comportan como partículas (Einstein en su efecto fotoeléctrico y De Broglie en la difracción de electrones.) lo dejaron bien explicado.

Imagen ilustrativa de lo que pretender ser la dualidad onda-partícula, en el cual se puede ver (según se cree) cómo un mismo fenómeno puede tener dos percepciones distintas. Esta manifestación en de partículas de lo que, de ordinario, concebimos como una onda se denomina fotón, de la palabra griega que significa “luz”.

El fotón tiene una masa de 1, una carga eléctrica de 0, pero posee un espín de 1, por lo que es un bosón. ¿Cómo se puede definir lo que es el espín? Los fotones toman parte en las reacciones nucleares, pero el espín total de las partículas implicadas antes y después de la reacción deben permanecer inmutadas (conservación del espín).  La única que esto suceda en las reacciones nucleares que implican a los fotones radica en suponer que el fotón tiene un espín de 1. El fotón no se considera un leptón, puesto que este termino se reserva para la familia formada por el electrón, el muón y la partícula Tau con sus correspondientes neutrinos: V_e, V_u y V_T.

Existen razones teóricas para suponer que, cuando las masas se aceleran (como cuando se mueven en órbitas elípticas en torno a otra masa o llevan a cabo un colapso gravitacional), emiten energía en forma de ondas gravitacionales.  Esas ondas pueden así mismo poseer aspecto de partícula, por lo que toda partícula gravitacional recibe el de gravitón.

La fuerza gravitatoria es mucho, mucho más débil que la fuerza electromagnética.  Un protón y un electrón se atraen gravitacionalmente con sólo 1/10³⁹ de la fuerza en que se atraen electromagnéticamente. El gravitón (aún sin ) debe poseer, correspondientemente, menos energía que el fotón y, por tanto, ha de ser inimaginablemente difícil de detectar.

Tenemos que volver a los que posiblemente son los objetos más misteriosos de nuestro Universo: Los agujeros negros.  Si estos objetos son lo que se dice (no parece que se pueda objetar nada en contrario), seguramente serán ellos los que, finalmente, nos faciliten las respuestas sobre las ondas gravitacionales y el esquivo gravitón.

      Imagen de un agujero negro en el núcleo de una galaxia arrasando otra próxima- NASA

La onda gravitacional emitida por el agujero negro produce una ondulación en la curvatura del espacio-temporal que viaja a la velocidad de la luz transportada por los gravitones. Tenemos varios proyectos en marcha de la NASA y otros Organismos oficiales que buscan las ondas gravitatorias de los agujeros negros, de colisiones estrellas de neutrones y de otras fuentes análogas que, según se cree, nos hablará de “otro universo”, es decir, nos dará información desconocida hasta y sabremos “ver” un universo distinto al reflejado por las ondas elecromagnéticas que es el que ahora conocemos.

¡Sorpresa!

 Por aquel entonces sde publicaba:

El físico Stephen Hawking da una rueda de prensa ante los medios gallegos en el Porta do Camiño en su visita a Santiago de Compostela (A Coruña). / Andres Fraga

 

 

“Stephen Hawking y los agujeros negros están indisolublemente ligados. No es que los descubriera él, ni mucho menos, pero sus investigaciones e importantes aportaciones sobre estos exóticos objetos predichos teóricamente y detectados (por sus efectos) en el universo se remontan a trabajos clave de hace más de cuatro décadas. afirma que no existen los agujeros negros, al menos como se entienden habitualmente. Esta semana ha presentado un artículo, una prepublicación que aún no ha pasado el proceso normal de revisión científica, pero que inmediatamente ha ganado notoriedad. Lo firma él solo, tiene cuatro páginas (una de presentación, dos de argumento y la última de referencias) y lleva un título extraño:Conservación de la información y predicción meteorológica para los agujeros negros. Los físicos presentan habitualmente sus artículos en la web arXiv, donde son públicos, antes de someterlos al proceso de evaluación de expertos obligado su la publicación oficial.”

Lo cierto es que, sería una enorme decepción si se confirmara que los Agujeros Negros no existe. Es mucho lo que de ellos se ha escrito y muchas las horas y estudios e investigaciones que han sido realizadas acerca de estos exóticos objetos del Universo. Me pasa con ésta noticia como con aquella en la que alguien decía que el fotón no existía. Ambas noticias, la del fotón y la del agujero negro, me parecen disparatas, ya que, si no existen lo fotones que es la Luz y cuál es su cuanto. Y, en relación a los agujeros negros, ¿en qué se convierte una estrella masiva al final de su vida? ¿Qué hay más allá de las estrellas de neutrones? ¿Qué son esos focos de radiación que se detectan en el centro de las galaxias y que atraen hacia ellos descomunales cantidades de materia?

Entonces decía:

Tendré que leer el artículo del Señor Hawking pero… ¡Tengo mis dudas de que acierte en sus predicciones!

emilio silvera

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En la vida cotidiana, donde las velocidades son pequeñas, las diferencias entre alguien que corre, otro que anda y otros que están parados, puede ser tan insignificante que, en realidad, es despreciable.

Como la velocidad de la luz (c), en el vacío, es el límite impuesto por la Naturaleza para poder desplazarse en nuestro Universo, si un objeto se acerca a esa velocidad, poco a poco se irá frenando y, la energía inercial se transformará en masa ( E = mc²

Sin embargo, un objeto que se mueva a velocidad relativista se acorta a lo largo de la dirección del movimiento, y, además aumenta su masa.  Por ejemplo, las ecuaciones de la relatividad especial demuestran que un objeto que se mueva aproximadamente al 98 por ciento de la velocidad de la luz, será medido por un observador inmóvil como un 80% más corto que cuando estaba parado, es lo que se conoce como la “Contracción de Lorentz”, que también es totalmente cierta. Pero además, a estas velocidades ocurre otra curiosidad: la masa del objeto aumenta considerablemente, ya que como el universo limita la velocidad que podemos alcanzar a la de la luz, cuando nos estamos acercando a ella, la energía que se traducía antes en velocidad, a partir de cierto punto se convierte en masa. No podemos olvidar que E = mc², nos dice que la masa es energía y la energía es masa, son dos aspectos de la misma cosa.

Einstein, en un principio, denominó a su teoría no como de la relatividad, la llamó teoría de la invariabilidad, para reflejar el carácter invariable de la velocidad de la luz. La obra de Einstein demostró que conceptos tales como espacio y tiempo, que anteriormente parecían estar separados y ser absolutos e inamovibles, en realidad están entrelazados y son relativos. Einstein demostró además que otras propiedades físicas del universo, sorprendentemente también están interrelacionadas. Arriba de esta misma página se reseña su famosa fórmula como uno de los ejemplos más importantes que afirma (y quedó más que demostrado) que E (energía) de un objeto y m (su masa) no están separados y se puede determinar la energía a través de la masa del objeto (multiplicando esta dos veces por la velocidad de la luz, o sea por c²).

Volvamos a un muón que se desplaza a un 99’999 por ciento de la velocidad de la luz, y su masa se multiplica por 224; a un 99’999 por ciento de la velocidad de la luz se multiplica por un factor que es más de 70.000.  Como la masa del muón aumenta sin límite a medida que su velocidad se aproxima a la de la luz, sería necesario un impulso dado con una cantidad infinita de energía para alcanzar o superar la barrera de la velocidad de la luz. Como una cantidad infinita de energía no existe, de nuevo aparece el límite que el universo impone a la velocidad, nada podrá superar la velocidad de la luz. Al menos en este universo que conocemos donde las Constantes Universales, como la masa del Electrón, la constante de Estructura fina, o la velocidad de la Luz, son como son para que el universo sea como lo conocemos y para que nosotros podamos estar aquí.

Una mínima variación en alguna de estas constantes universales (ver mi libreta penúltima, anterior a la del 09/09/06), seguramente habría impedido que nosotros surgiéramos a la vida en el planeta Tierra.

De esta lectura podemos sacar la conclusión de que nuestra intuición se equivoca: la información que nos transmite nuestros cerebros se limita al movimiento habitual que es extremadamente lento en comparación con la velocidad de la luz, y estas velocidades tan pequeñas oscurecen el verdadero carácter del Espacio y el Tiempo que sí revela la relatividad especial en su auténtica naturaleza y demuestra que difieren radicalmente de cualquier concepción previa.

La relatividad Especial tiene postulados que… ¡Nos vuelve locos! Como la Dilatación del Tiempo

Sin embargo, entenderlo no era fácil; nosotros no nos movemos a la velocidad de la luz, así que lo que percibe nuestros sentidos está adecuado a lo que ven. Einstein pronto se percató de esto y también se dio cuenta de que entre las numerosas repercusiones derivadas de la revelación de la relatividad especial, una era especialmente profunda: la afirmación de que nada podía sobrepasar la velocidad de la luz que, por otra parte, resultaba incompatible con la reverenciada teoría de la gravitación universal de Newton. Así la relatividad especial, mientras resolvía un conflicto, hacía surgir otro.

Tensor métrico de Riemann

Después de una década de intenso trabajo y profundos y penosos estudios y, digámoslo, con la ayuda del tensor métrico de Riemann, Einstein resolvió el dilema mediante su teoría de la relatividad general. En esta teoría, Einstein una vez más, revolucionaba nuestro modo de comprender el espacio y el tiempo y demostró que éstos se distorsionan y se curvan para transmitir la fuerza de gravedad creada por la presencia de grandes masas como planetas o estrellas y galaxias.

1923

Einstein ganó el premio Nobel de Física por su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico que le inspiró el trabajo de Max Planck de 1900, sobre la radiación de energía de cuerpo negro, emitida por paquetes discretos a los que llamó “cuantos”.

En realidad, le tendrían que haber concedido otro Nobel por su teoría de la relatividad especial, tal es su importancia.

Y, desde luego, otro tercer Nobel por su relatividad general; los tres trabajos son de tal profundidad e importancia y tuvieron tanta trascendencia para el mundo de la física y la cosmología que, podemos decir sin temor a equivocarnos, que los tres trabajos cambiaron el transcurso del mundo y, posibilitó que la Humanidad entendiera mejor el Universo y las leyes que lo rigen.

emilio silvera

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La lista sería interminable, y, he tenido la osadía de incluir el ADN que nos afecta, aunque es dudoso que sea una estructura fundamental a nivel universal, es más bien la importancia localista que nos afecta.

Hemos llegado a poder discernir la relación directa que vincula el tamaño, la energía de unión y la edad de las estructuras fundamentales de la Naturaleza.

Si hablamos de Física podemos pensar en la constante de Planck en sus dos versiones, h y ħ; en la igualdad masa-energía de Einstein; la Constante gravitacional de Newton, la constante de estructura fina (α = 2Π e² /137); y, el radio del electrón, por ejemplo.

                                   ¿Habéis pensado en lo que llevan encerrado sus mensajes?

Es verdaderamente meritorio el enorme avance que en tan poco tiempo ha dado la Humanidad, en el campo de la Física y otras ramas del saber.

En poco más o menos, un siglo y medio, se ha pasado de la oscuridad a una claridad, no cegadora aún, pero sí, aceptable. Son muchos los secretos de la Naturaleza física que han sido desvelados y, el ritmo, parece que crece de manera exponencial, y, en algunos campos,  se cumple la ley de Moore.

Eso que llamamos ¡El Tiempo!, tal como lo concebimos es un preciado bien, está a nuestro favor. Sólo tenemos que ir pasando el testigo para alcanzar las metas propuestas.

                                                                               Avanzamos en todos los campos

Pongamos nuestras esperanzas en que no seamos tan irresponsables como para estropearlo todo. En el estudio del Espacio exterior cada día damos un paso más hacia adelante, vamos conociendo con más certeza la realidad del Universo que nos acoge, y, aunque todavía nos queda muchísimo camino por recorrer, lo cierto es que no se para en la investigación y se preparan misiones hacia los mundos cercanos para ir conociendo nuestro entorno que… ¿Quién sabe? En el futuro aún lejano nos podría ofrecer una salida.

     En estudio están muchos de estos proyectos

Si estoy escribiendo, concentrado, en mis cosas de la Física, de la Astronomía, la Gravedad o el electromagnetismo, pongamos por ejemplo, me aíslo y ni oigo los ruidos que a mi alrededor se puedan producir por el desenvolvimiento de la vida cotidiana.

Hay cuestiones sencillas de entender para los iniciados y, a veces, muy complejas para la gente corriente. Por tal motivo, si escribo sobre estos interesantes temas, mi primera preocupación es la de buscar la sencillez en lo que explico. No siempre lo consigo.

Por ejemplo, quiero explicar el magnetismo y digo:

Grupo de fenómenos asociados con los campos magnéticos. Siempre que una corriente eléctrica fluye, se produce un campo magnético; como el movimiento orbital de un electrón, y el espín de los electrones atómicos son equivalentes a pequeños circuitos de corriente, los átomos individuales crean campos magnéticos a su alrededor cuando los electrones orbitales tienen un momento magnético neto como resultado de su momento angular. El momento angular de un átomo es el vector suma de los momentos magnéticos de los movimientos orbitales y de los espines de todos los electrones en el átomo.

Las propiedades magnéticas macroscópicas de una sustancia tienen su origen en los momentos magnéticos de sus átomos o moléculas constituyentes. Diferentes materiales poseen distintas características en un campo magnético aplicado; hay cuatro tipos de comportamiento magnético:

a) En Diamagnetismo, la magnetización está en la dirección opuesta a la del campo aplicado, es decir, la susceptibilidad es negativa. Aunque todas las sustancias son diamagnéticas, es una forma débil de magnetismo que puede ser enmascarada por otras formas más fuertes. Tiene su origen, en los cambios inducidos por los campos aplicados en las órbitas de los electrones de una sustancia, siendo la dirección del cambio opuesto a la del flujo aplicado (de acuerdo con la ley de Lenz).

Existe, por tanto, una débil susceptibilidad negativa (del orden de -10^{-8 m3} mol^-1) y una permeabilidad relativa ligeramente menor que uno.

b) En Paramagnetismo, los átomos o moléculas de la sustancia tienen momentos magnéticos orbitales o espín que son capaces de estar alineados en la dirección del campo aplicado. Estos, por tanto, tienen una susceptibilidad positiva (aunque pequeña) y una permeabilidad relativa ligeramente mayor que uno. El paramagnetismo aparece en todos los átomos y moléculas con electrones desapareados; es decir; átomos libres, radicales libres y compuestos de metales de transición que contienen iones con capas de electrones no llenas.

También ocurre en metales como resultado de momentos magnéticos asociados a los espines de los electrones de conducción.

c) En Sustancias ferromagnéticas, dentro de un cierto rango de temperaturas, hay momentos magnéticos atómicos netos, que se alinean de forma que la magnetización persiste después de eliminar el campo aplicado.

Por debajo de una cierta temperatura, llamada el punto de Curie ( o temperatura de Curie), un campo magnético en aumento aplicado a una sustancia ferromagnética causará una magnetización creciente hasta un valor máximo, llamado la magnetización de saturación. Esto es debido a que una sustancia ferromagnética está constituida por pequeñas regiones magnetizadas (1-0,1 mm de ancho) llamadas dominios.

El momento magnético total de la muestra de sustancia es el vector suma de los momentos magnéticos de los dominios constituyentes. Dentro de cada dominio los momentos atómicos individuales se alinean espontáneamente por fuerzas de intercambio, que dependen de si los espines de los electrones atómicos son paralelos o antiparalelos.

Sin embargo, en un trozo no magnetizado de material ferromagnético los momentos de los dominios no están alineados; cuando un campo externo es aplicado, esos dominios que están alineados con el campo aumentan de tamaño a expensas de otros.

                     Proceso electromagnético

En un campo muy intenso todos los dominios se alinean en la dirección del campo y producen la alta magnetización observada. El hierro, el níquel, el cobalto y sus aleaciones son ferromagnéticos. Por encima del punto de Curie, los materiales ferromagnéticos se vuelven paramagnéticos.

d) Algunos metales, aleaciones y sales de elementos de transición muestran otro tipo de magnetismo llamado anti-ferromagnetismo. Esto ocurre por debajo de cierta temperatura, llamada la temperatura de Néel, a la cual se forma espontáneamente una red ordenada de momentos magnéticos atómicos en la que momentos alternos tienen direcciones opuestas. No hay, por tanto, momento magnético resultante en ausencia de un campo aplicado.

En el fluoruro de manganeso, por ejemplo, esta disposición antiparalela ocurre por debajo de una temperatura de Néel de 72 K. Por debajo de esta temperatura, el ordenamiento espontáneo se opone a la tendencia normal de los momentos magnéticos de alinearse con el campo aplicado. Por encima de la temperatura de Néel la sustancia es paramagnética.

Una forma especial de anti-ferromagnetismo es el ferrimagnetismo, un tipo de magnetismo mostrado por las ferritas. En estos materiales, o bien los momentos magnéticos de los iones adyacentes son antiparalelos y de intensidad desigual, o bien el número de momentos magnéticos en una dirección es mayor que el número de los que hay en la dirección opuesta.

Mediante una adecuada elección de los iones de tierra raras en las redes de ferrita es posible diseñar sustancias ferrimagnéticas con magnetizaciones específicas para su uso en componentes electrónicos.

Si nos queremos referir al geomagnetismo, estaremos hablando de la ciencia que estudia el campo magnético terrestre.

Si una barra de imán es suspendida en cualquier punto de la superficie terrestre, de forma que se pueda mover libremente en todos los planos, el polo Norte del imán apuntará en una dirección aproximadamente al Norte. El ángulo (D) entre la dirección horizontal a la que apunta y el meridiano geográfico en ese punto se llama la declinación magnética. Se toma positiva al Este del Norte geográfico y negativa al Oeste. La aguja no estará horizontal salvo en el ecuador magnético. En todos los demás lugares formará un ángulo (l) con la horizontal, llamado la inclinación magnética. En los polos magnéticos l = 90º (+90º en el polo Norte, -90º en el polo Sur), y la aguja será vertical.

El estudio del paleomagnetismo ha extendido el estudio de la variación magnética secular al pasado geológico, y es claro que la dirección del campo geomagnético de la Tierra se ha invertido varias veces. La fuente del campo y las causas de las variaciones son desconocidos, aunque existe la certeza de que la fuente parece estar asociada a la acción de dinamo del núcleo líquido del planeta.

En todos los polos magnéticos /= 90° (+90° en el polo Norte, -90° en el polo Sur), y la aguja será vertical.

Las posiciones de los polos, que varían con el tiempo, eran en los años setenta aproximadamente 76, 1 ° N, 100° W (N) y 65, 8° S, 139° E (S). El vector intensidad F del campo geomagnético se determina por I, D y F, donde F es la intensidad magnética local del campo medida en gauss o tesla, o lo que es igual a: 1 gauss: 10^-4 teslas). F, I y D, junto con las componentes vertical y horizontal de F y sus componentes Norte y Este, son llamados los elementos magnéticos.

Esta explicación del geomagnetismo, podría ser más larga y completa, con muchos más datos técnicos y matemáticos. Sin embargo, para tener una ligera idea de toda este complejo “mundo” de lo magnético…

A eso me refería antes cuando decía: “… mi primera preocupación es la de buscar la sencillez en lo que explico. No siempre lo consigo.”

Si a continuación pongo un ejemplo práctico y explico el magnetismo de manera muy técnica y seguramente, resultaría aburrido al personal.

Hay maneras de explicar lo complejo de manera sencilla

El lector de ciencia no iniciado, no quiere estas complejidades que, por muy perfectas que puedan resultar técnicamente hablando, siempre les resultaran aburridas, tediosas y lo que es peor, incomprensible. Ya decía algún físico famoso que, cuando escribía un libro por cada ecuación que incluía, se dejaban de vender varios ejemplares y, tenía razón.

Los buenos escritores-divulgadores de la ciencia, deben contar los fenómenos naturales revistiéndolos de un atractivo y misterioso mundo mágico ante los ojos del lector que, consiga, no sólo despertar su imaginación, sino que el objetivo principal es desvelar dentro de su mente la comprensión produciéndoles asombro y sorpresa ante tales maravillas.

emilio silvera

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Smart City Nansha, en Guangzhou (China)

Las ciudades modernas basadas en infraestructuras inteligentes y eficientes durables de agua, electricidad, telecomunicaciones, transportes, servicios de urgencia y seguridad, equipamientos públicos y siempre poniendo como máxima prioridad el respeto al Medio Ambiente.

¡La Hiperdimensionalidad!

El 21 de diciembre de 2010 científicos estadounidenses descubrieron “un vimana atrapado en un pozo del tiempo“ (un campo gravitatorio electromagnético, que sólo puede ocurrir en una dimensión invisible del espacio) en la ciudad de Balkh, Afganistán, lugar que alguna vez Marco Polo catalogó como “una de las ciudades más nobles y grandiosas del mundo”.

Hablemos   ahora del  “universo” de lo muy pequeño, ese  “mundo” fascinante.

                 ¿Os acordáis? ¿Cuántos niños no habrán soñado con escenas como estas?

Cuando hablo de lo muy pequeño, puedo llegar a entender muy bien lo que es, lo que son, “licencias literarias” el papel de nada se queja y el lápiz puede escribir lo que quiera y piense el que lo sostiene, según le dicte su imaginación. Claro que, cuando comparamos ese mundo de ilusiones e imaginación con el mundo real, todo el edificio se viene abajo. ¡Lástima!

Todos los niños  juegan con pequeños muñecos que son soldados, guerreros o seres de otras galaxias con poderes mágicos y, ellos, en su inocente mundo sin maldad, los dirigen con sus manitas gordezuelas al desarrollo de luchas y aventuras sin fin. Jonathan Swift, nos deleitó con aquellas aventuras de Gulliver, un aventurero que llegó a las tierras de Lilliput: Allí, todo era muy pequeño, la naturaleza, las plantas, los habitantes del lugar y sus casas y palacios, embarcaciones y todos los animales.

Gulliver era allí un gigante de proporciones inmensas: Incluso llegó a extinguir un fuego con una simple chorrada (es decir, hizo pipí) y acabó de inmediato con el (para ellos) enorme fuego.

Su tamaño podía, sin dificultad alguna, decidir el resultado de una guerra entre aquellos pequeñísimos seres que, ante un gigante como él, no tenían defensa alguna y, sus armas, resultaban ridículas para poder causarle algún daño. Dormido lo tuvieron que coger para poder atarlo.

Durante otro viaje, las fuerzas ignotas del destino llevaron a Gulliver a un país llamado  Brobdingnag, donde la gente y todos los seres animados e inanimados eran mucho más grandes que él. Allí era un enano, mimado por una niña pequeña llamada Glumdalclitch. Al final, Gulliver es recogido en una jaula por un águila que lo deja caer en el mar de donde lo rescataron unos marineros a los que, al contarles esas historias, pusieron incrédulas caras de asombro.

Claro que, cuando nos trasladamos al mundo real, las cosas no suelen ser de esa manera. Poco importa lo fascinantes que las historias de este tipo nos puedan resultar. Las cosas no funcionan de esa manera. Todos sabemos, por ejemplo que la llama de una vela pequeña y la de una vela grande, son aproximadamente del mismo tamaño. ¿De qué tamaño serían las llamas de las velas de Lilliput? Y, desde luego, si pensamos un poco, más cuestiones nos surgen: ¿Cómo serían las gotas de lluvia en Lilliput y en Brobdingnag?, ¿eran las leyes físicas para el agua diferentes allí que en nuestro propio mundo? Y, finalmente, los físicos se preguntarían: ¿De qué tamaño eran los átomos en esos lugares?, ¿qué clase de reacciones químicas podrían tener lugar con los átomos del cuerpo de Gulliver?

Claro que, con esas preguntas esas historias fallan. La verdadera razón por la que los mundos de Los Viajes de Gulliver no pueden existir es que las leyes de la Naturaleza no permanecen exactamente iguales cuando se cambian las escalas. A veces, esto es evidente en las películas de desastres, donde quizá se ha construido una maqueta a escala para simular una gran ola o un rascacielos en llamas.

El ojo experto puede, sin problemas, distinguir entre la maqueta y la realidad. Los mejores resultados se obtienen cuando el factor de escala para el tiempo se elige igual a la raíz cuadrada de la escala espacial. Así, si el rascacielos de turno se construye a escala 1:9, hay que rodar la película a un 1/3 de su velocidad real. Pero incluso así, como antes señalo, el ojo entrenado distingue la diferencia entre lo que sucede en la película y lo que se observaría en el mundo real.

En resumen, las leyes que gobiernan el mundo físico tienen dos características importantes: muchas leyes de la Naturaleza permanecen inalterables, no se alteran cuando cambia la escala, pero hay otros fenómenos, tales como una vela encendida o las gotas de agua, que no cambian del mismo modo. La implicación final es que el mundo de los objetos muy pequeños será completamente diferente del mundo ordinario.

Justamente en el mundo de los seres vivos la escala crea importantes diferencias. En muchos aspectos, la anatomía de un ratón se podría considerar (más o menos y, guardando las distancias) como una copia de la de un elefante, pero mientras que un ratón puede trepar por una pared de piedra prácticamente vertical sin mucha dificultad (incluso se puede caer desde una altura varias veces mayor que su tamaño sin hacerse gran daño), un elefante sería incapaz de realizar tal hazaña. Así llegamos a comprender que la Gravedad, se deja sentir en menor grado a medida que los objetos disminuyen de tamaño.

Cuando llegamos a los seres unicelulares, se ve que para ellos no hay distinción entre arriba y abajo. Para ellos, la tensión superficial del agua es mucho más importante que la fuerza de gravedad. Basta observar que la tensión superficial es la fuerza que da forma a una gota de agua y comparar el tamaño de esa gota con los seres unicelulares, muchísimo menores, para que sea evidente que la tensión superficial es muy importante a esta escala.

La tensión superficial es una consecuencia de que todas las moléculas y los átomos se atraen unos a otros con una fuerza que nosotros llamamos fuerza de Van der Vaalls. esta fuerza tiene un alcance muy corto. para ser más precisos, diremos que la intensidad de esta fuerza a una distancia r es aproximadamente proporcional a 1/r⁷. Esto significa  que si se reduce la distancia entre dos átomos a la mitad, la fuerza de Van der Vaalls con la que se atraen uno a otro se hace 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 x 2 = 128 veces más intensa. Cuando los átomos y las moléculas se acercan mucho unos a otros quedan unidos muy fuertemente a través de esta fuerza.

Ahora tendríamos que hablar algo de la mecánica cuántica y, en ese ámbito, las reglas de la mecánica cuántica funcionan tan bien que resultaría realmente difícil refutarlas.

Acordaos de los trucos ingeniosos descubiertos por Werner Heisenberg, Paul Dirac, o, Schrödinger que vinieron a mejorar y completar  las reglas generales. Sin embargo, algunos de aquellos pioneros (Einstein y el mismo Schrödinger), sin embargo, presentaron serias objeciones a dicha interpretación de la naturaleza de lo muy pequeño.

Podríamos formular una simple pregunta que pondría en un brete a más de uno: ¿Dónde está realmente el electrón, en el punto x o en el punto y? En pocas palabras, ¿Dónde está en realidad? Si prestamos atención a Bohr, no tiene ningún sentido buscar tal realidad. Las reglas de la mecánica cuántica, por sí mismas, y las observaciones realizadas con detectores serían las únicas realidades a las que deberíamos prestar atención y de las que podemos hablar.

Muchas veces me sorprende oír a muchos “científicos” que hablan con una seguridad de lo que dicen como si, de una verdad inamovible se tratara. Ellos (en realidad) creen que saben y, no llegan a darse cuenta de que están hablando de un Modelo que ha sido construido matemáticamente hablando, para poder explicar eso que, nosotros, los humanos, creemos que es la realidad del mundo. Sin embargo, más de una vez hemos tenido que cambiar esos modelos y rectificar esa “realidad” por otra que, resultó ser “más real”.

¡Sabemos tan poco!

emilio silvera

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En cualquier sitio que miremos nos dirán que la supersimetría en la física de partículas es: Una simetría hipotética propuesta que relacionaría las propiedades de los Bosones y los Fermiones. Aunque todavía no se ha verificado experimentalmente que la supersimetría sea una simetría de la naturaleza, es parte fundamental de muchos modelos teóricos, incluyendo la teoría de supercuerdas. La supersimetría La también es conocida por el acrónimo inglés SUSY.

La Supersimetría tiene unas matemáticas muy bellas y por esa razón los artículos sobre el tema están llenos de ellas. Como ha sucedido antes, por ejemplo, cuando se propuso la teoría de Yang–Mills, tenemos un esquema matemático brillante que aún no sabemos como encajar en el conjunto de las leyes naturales. No tiene ningún sentido, todavía, pero esperamos que lo tenga en un tiempo futuro.

A pesar de constituir la pieza central del paradigma de la física de interacciones fundamentales basado en teorías relativistas cuánticas de campos, las teorías gauge no abelianas presentan a los 50 años de su descubrimiento por Yan y Mills numerosos interrogantes que afectan incluso a su propia consistencia. La importancia de resolver alguno de estos problemas impulsó al Instituto Clay a considerarlos como uno de los retos matemáticos del nuevo milenio. El planteamiento del problema requiere elementos de las teorías físicas de la relatividad especial y la mecánica cuántica al mismo tiempo que campos de matemática como la teoría de probabilidades, geometría diferencial y análisis funcional

Hay otro escenario mucho más atractivo para nuestra imaginación. Hemos podido ver que los átomos están formados  por pequeños constituyentes, los fotones, neutrones y electrones. Luego descubrimos que esos constituyentes, a su vez, tienen una subestructura: están formados de quarks y gluones. ¿Por qué, como probablemente hayas  pensado tú antes, el proceso no continúa así? Quizñá esos Quarks y Gluones, e igualmente los electrones y todas las demás partículas aún llamadas “elementales” en el Modelo Estándar, estén también construidas de unos granos de materia aún menores y, finalmente, toda esa materia, si seguimos profundizando, nos daría la sorpresa de que toda ella es pura luz, es decir, la esencia de la materia.

Yo he tenido esa idea muy frecuentemente, nadie me quita de la cabeza que la materia, en lo más profundo de su “ser”, es la luz congelada en trozos de materia que, cuando llegan los sucesos, las transiciones de fase, se deja ver y sale a la “luz” del mundo para que la podamos contemplar.

Simetría es nuestra presencia aquí como observadores, la concha de un caracol, una galaxia, una flor y también las estrellas y los mundos, todo forma un conjunto armónico que hace ese todo en el que nosotros, inmersos en tanta grandeza, no acabamos de asimilar lo mucho que la Naturaleza nos quiere transmitir y, al formar parte de ella, nos cuesta más mirarla desde “fuera” para entenderla, sin ser conscientes que, en realidad, la debemos mirar desde dentro, ahí es donde estamos. ¡Dentro de ella! Siempre hay algo más allá:

   The Scale of the Universe 2 – HTwins.net

¿Quieres darte una vueltecita por el Universo, en un tiempo razonable y entre las escalas de lo más inimaginablemente grande y lo infinitesimalmente pequeño? Prueba The Scale of the Universe 2, segunda parte de un interactivo similar que hace tiempo estuvo circulando por la Red, y a disfrutar. Basta mover la barra de desplazamiento o usar la rueda del ratón, y también se puede hacer clic sobre los objetos para aprender algo sobre ellos.

 Todos sabemos de las grandes estructuras (inertes o vivas) que, en su inmensidad, transportan dentro de ellas o en la misma superficie, otras estructuras más pequeñas que, no por ello, dejan de ser también complejas. Grandes pulgas transportan pequeñas pulgas en su piel y, al igual que nosotros, llevan en ellas mismas a otros animáculos más pequeños, o, infinitesimales que, también, como nosotros, animales más grandes, tienen una misión encomendada sin la cual, seguramente nosotros, ni podríamos ser. Así que, tenemos que prestar mucha atención a lo que creemos “ínfimo” y que, en la mayoría de las veces, resulta ser más importante de lo que podemos llegar a imaginar.

Si miramos a los Quarks de un protón, por ejemplo, la mecánica cuántica (esa teoría maravillosa que controla todo el micro-mundo con increíble precisión), exige que el producto de la masa por la velocidad, el llamado “momento”, debe ser inversamente proporcional al tamaño de la “caja” en la cual ponemos nuestro sistema. El protón puede ser considerado como una de tales cajas y es tan pequeño que los quarks en su interior tendrían que moverse con una velocidad cercana a la de la luz. Debido a esto, la masa efectiva de los quarks máss pequeños, u y d, es aproximadamente de 300 MeV, que es mucho mayor que el valor que vemos en las Tablas de Partículas; eso también explica porque la masa del Protón es de 900 MeV, mucho mayor que la suma de las masas en reposo de los quarks /y Gluones).

 Sí, dentro de los protones y neutrones, seguramente pueda haber mucho más de lo que ahora podemos vislumbrar. Nuestros aceleradores de partículas han podido llegar hasta ciertos límites que nos hablan de Quarks y ahora se buscan partículas super-simétricas o bosones traficantes de masa (como diría Ton Wood), y, nosotros, no sabemos si esos objetos existen o si podremos llegar a encontrarlos pero, por intentarlo… No dudamos en gastar ingentes cantidades y en utilizar cuantos recursos humanos sean precisos. El conocimiento de la Naturaleza es esencial para que, el futuro de la Física, sea la salvación de la Humanidad o, en su caso, de la raza que vendrá detrás de nosotros.

Algunas Teorías, como todos conocemos, han intentado unificar teorías de color con las de supersimetría. Quizá los nuevos Aceleradores de  Hadrones  (LHC) y otros similares que estarán acabamos poco después de estas primeras décadas del siglo XXI, nos puedan dar alguna pista y desvelar algunos de los nuevos fenómenos asociados a los nuevos esquemas que se dibujan en las nuevas teorías.

Los astrofísicos están muy interesados en estas ideas que predicen una gran cantidad de nuevas partículas superpesadas y, también varios tipos de partículas  que interaccionan ultra-débilmente. Estas podrían ser las “famosas” WIMPs que pueblan los huecos entre galaxias para cumplir los sueños de los que, al no saber explicar algunas cuestiones, acudieron a la “materia oscura” que, como sabeis, les proporcionó el marco perfecto para ocultar su inmensa ignorancia. “¡La masa perdida!” ¿Qué masa es esa? Y, sin embargo, los Astrofísicos, incansables, se aferran a ella y la siguen buscando…¡Ilusos!

  ¡El Universo! ¡Son tantas cosas! Desde nosotros los observadores, hasta la más ínfina partícula de materia

Yo, en mi inmensa ignorancia,  no puedo explicar lo que ahí pueda existir. Sin embargo, sospecho que, deberíamos ahondar algo más en esa fuerza que llamamos Gravedad y que, me da la sensación de que nos esconde secretos que aún no hemos sabido desvelar. Y, por otra parte, tengo la sospecha de que la Luz, es más de lo que podemos suponer.

“Se analizan las interacciones electromagnéticas y nucleares débiles utilizando el principio fundamental de simetría en espacios abstractos denominados teoría de campos de Yang-Mills, también conocidos como campos de norma (gauge fields) y el mecanismo de Higgs. Los campos de norma actúan como mediadores de las interacciones, cuyo alcance está determinado de manera directa por la masa. Por este motivo los campos de norma se unen al mecanismo de Higgs que genera masa a los portadores de las interacciones, manteniendo la teoría invariante bajo una transformación de norma. Esto se logra a través de un rompimiento espontaneo de simetría para finalmente aplicar esta metodología con la finalidad de unificar las teorías de las interacciones considerando el modelo estándar de Weinberg-Salam.”

emilio silvera

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¿Por qué la materia no puede moverse más deprisa que la velocidad de la luz? Porque cuando se acerca a las velocidades relativistas, es decir, la velocidad de la luz en el vacío, c, la energía inercial se convierte en masa y, al llegar a c (299.792,458 m/s), sería infinita.

Si un enjambre de fotones pasaran por delante de nosotros, estando en el vacío Espacial, sólo veríamos una ráfaga luminosa pasar tan rauda que sería vista y no vista.

“Las propiedades de los fotones pueden estudiarse en experimentos donde se los hace incidir sobre la materia. Se observa así que, aunque los fotones no tienen masa, tienen un momento lineal , cuyo módulo es proporcional a su energía

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Esto es un resultado de la relatividad especial, según la cual la energía y el momento de una partícula con velocidad  son

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La energía y el momento de una partícula a la velocidad de la luz serían infinitos, lo cual no es físicamente aceptable, a no ser que su masa sea cero, en cuyo caso se obtendría una indeterminación , que podría tener un límite finito. Como los fotones se propagan a la velocidad de la luz, deben tener masa nula.”

                                 Fotones que salen disparados a la velocidad de c. ¿Qué podría seguirlos?

Para contestar esta pregunta hay que advertir al lector que la energía suministrada a un cuerpo puede influir sobre él de distintas maneras. Si un martillo golpea a un clavo en medio del aire, el clavo sale despedido y gana energía cinética o, dicho de otra manera, energía de movimiento. Si el martillo golpea sobre un clavo, cuya punta está apoyada en una madera dura e incapaz de moverse, el clavo seguirá ganando energía, pero esta vez en forma de calor por rozamiento al ser introducido a la fuerza dentro de la madera.

Albert Einstein demostró en su teoría de la relatividad especial que la masa cabía contemplarla como una forma de energía (E = mc².) Al añadir energía a un cuerpo, esa energía puede aparecer en la forma de masa o bien en otra serie de formas.

En condiciones ordinarias, la ganancia de energía en forma de masa es tan increíblemente pequeña que sería imposible medirla. Fue en el siglo XX (al observar partículas subatómicas que, en los grandes aceleradores de partículas, se movían a velocidades de decenas de miles de kilómetros por segundo) cuando se empezaron a encontrar aumentos de masa que eran suficientemente grandes para poder detectarlos. Un cuerpo que se moviera a unos 260.000 Km por segundo respecto a nosotros mostraría una masa dos veces mayor que cuando estaba en reposo (siempre respecto a nosotros).

                No, un púlsar tampoco puede ser más rápido que la luz

La energía que se comunica a un cuerpo libre puede integrarse en él de dos maneras distintas:

1. En forma de velocidad, con lo cual aumenta la rapidez del movimiento.
2. En forma de masa, con lo cual se hace “más pesado”.

La división entre estas dos formas de ganancia de energía, tal como la medimos nosotros, depende en primer lugar de la velocidad del cuerpo (medida, una vez más, por nosotros).

Si el cuerpo se mueve a velocidades normales, prácticamente toda la energía se incorpora a él en forma de velocidad: se moverá más aprisa sin cambiar su masa.

A medida que aumenta la velocidad del cuerpo (suponiendo que se le suministra energía de manera constante) es cada vez menor la energía que se convierte en velocidad y más la que se transforma en masa. Observamos que, aunque el cuerpo siga moviéndose cada vez más rápido, el ritmo de aumento de velocidad decrece. Como contrapartida, notamos que gana más masa a un ritmo ligeramente mayor.

En gracia quizás podamos superarla pero, en velocidad…no creo, c es el tope que impone el Universo para la velocidad.

Al aumentar aún más la velocidad y acercarse a los 299.792’458 Km/s, que es la velocidad de la luz en el vacío, casi toda la energía añadida entra en forma de masa. Es decir, la velocidad del cuerpo aumenta muy lentamente, pero la masa es la que sube a pasos agigantados. En el momento en que se alcanza la velocidad de la luz, toda la energía añadida se traduce en masa que, llegado a cierto límite, podría ser infinita y, como infinito no hay nada, nos quedamos con que nunca, nada, podrá sobrepasar esa velocidad.

En esta ecuación, el término pc representa el momento del objeto (o, lo que es lo mismo, el producto de su masa por la velocidad a la que se desplaza), multiplicado por la velocidad de la luz. De hecho, la versión de esta ecuación que todos conocemos (E = mc²) representa la energía que posee un objeto cuando está quieto (cuando v = 0 y, por tanto, pc = 0, así que E = mc² + 0).

la masa (la resistencia al movimiento) es una propiedad que refleja la cantidad de energía que compone un objeto y se manifiesta a través de su inercia. Nos podemos preguntas: ¿Por qué la masa de un objeto aumenta a medida que incrementa su velocidad y de dónde sale esa masa que se suma?

“El caso es que la ecuación completa de Einstein nos dice que la energía total de un objeto equivale a la energía que tiene cuando está quieto (mc), más la energía cinética que gana cuando empieza a moverse (pc). Por tanto, un objeto que se mueva muy rápido tendrá más energía que otro objeto idéntico, pero que está en reposo.”

De todo esto podemos deducir que siendo la velocidad de la luz en el vacío un límite que impone el Universo, cuando se va acercando a c, la velocidad se verá frenada y, la energía de inercia se convierte en masa (E = mc² ).

El cuerpo no puede sobrepasar la velocidad de la luz porque para conseguirlo hay que comunicarle energía adicional, y a la velocidad de la luz toda esa energía, por mucha que sea, se convertirá en nueva masa, con lo cual la velocidad no aumentaría ni un ápice.

Todo esto no es pura teoría, sino que tal como ha sido comprobado, es la realidad de los hechos.

¿Qué velocidad podría ser la de la luz en otros mundos paralelos que pudieran existir fuera de nuestro universo?

         Ninguna nave, por los medios convencionales, podrá nunca superar la velocidad de la luz

La velocidad de la luz es la velocidad límite en el universo. Cualquier cosa que intente sobrepasarla adquiriría una masa infinita, y, siendo así (que lo es), nuestra especie tendrá que ingeniarse otra manera de viajar para poder llegar a las estrellas, ya que, la velocidad de la luz nos exige mucho tiempo para alcanzar objetivos lejanos, con lo cual, el sueño de llegar a las estrellas físicamente hablando, está lejos, muy lejos. Es necesario encontrar otros caminos alejados de naves que, por muy rápida que pudieran moverse, nunca podrían superar la velocidad de la luz, el principio que impone la relatividad especial lo impide, y, siendo así, ¿cómo iremos? La única manera sería burlar a c, si podemos, al fin, abrir una ventana al hiperespacio.

La velocidad de la luz, por tanto, es un límite en nuestro universo; no se puede superar. Siendo esto así, el hombre tiene planteado un gran reto, no será posible el viaje a las estrellas si no buscamos la manera de esquivar este límite de la naturaleza, ya que las distancias que nos separan de otros sistemas solares son tan enormes que, viajando a velocidades por debajo de la velocidad de la luz, sería casi imposible alcanzar el destino deseado.

De momento sólo con los Telescopios podemos llegar tan lejos. Ahí han captado la galaxia más lejana del Universo

Los científicos, físicos experimentales, tanto en el CERN como en el FERMILAB, aceleradores de partículas donde se estudian y los componentes de la materia haciendo que haces de protones o de muones, por ejemplo, a velocidades cercanas a la de la luz choquen entre sí para que se desintegren y dejen al descubierto sus contenidos de partículas aún más elementales. Pues bien, a estas velocidades relativistas cercanas a c (la velocidad de la luz), las partículas aumentan sus masas; sin embargo, nunca han logrado sobrepasar el límite de c, la velocidad máxima permitida en nuestro universo.

Se han observado haces de muones lanzados a la velocidad de C, y el resultado fue que aumentaron su masa 10 veces.

Es preciso ampliar un poco más las explicaciones anteriores que no dejan sentadas todas las cuestiones que el asunto plantea, y quedan algunas dudas que incitan a formular nuevas preguntas, como por ejemplo: ¿por qué se convierte la energía en masa y no en velocidad?, o ¿por qué se propaga la luz a 299.793 Km/s y no a otra velocidad?

Sí, la Naturaleza nos habla, simplemente nos tenemos que parar para poder oír lo que trata de decirnos y, entre las muchas cosas que nos dice, estarán esos mensajes que nos indican el camino por el que debemos coger para burlar a la velocidad de la luz, conseguir los objetivos y no vulnerar ningún principio físico impuesto por la Naturaleza.

La única respuesta que podemos dar hoy es que así, es el universo que nos acoge y las leyes naturales que lo rigen, donde estamos sometidos a unas fuerzas y unas constantes universales de las que la velocidad de la luz en el vacío es una muestra.

Habiando lanzado un haz de muones que alcanzó velocidades relativistas, y, se dieron cuenta que su peso, había crecido diez veces. Como la velocidad de la luz es un límite del Universo, los muones se fueron frenando a medida que se acercaban a c, y la energía de inercia se convirtió en masa.

                                                                    La relatividad de la masa

La teoría de la invariancia predice que la masa observada de un objeto aumentará a medida que aumente la velocidad relativa del objeto. Curiosamente, este efecto se había observado incluso antes de la teoría de Einstein, cuando los científicos se sorprendieron al notar un aumento en la masa de los electrones de alta velocidad en los tubos de vacío. Este efecto se observa fácilmente hoy en día en los aceleradores de partículas, donde las partículas elementales cargadas, como los electrones o los protones, se aceleran mediante campos electromagnéticos a velocidades tan altas como 0,9999999 de la velocidad de la luz. Las masas de estas partículas aumentan exactamente la cantidad predicha por la fórmula de Einstein. A esa velocidad, el aumento de su masa mm es aproximadamente 2236 veces la masa en reposo. De hecho, los aceleradores circulares deben diseñarse para tener en cuenta este aumento de masa.

       Ingenios que inventó el hombre y que nos revelan secretos profundamente escondido

A velocidades grandes cercanas a la de la luz (velocidades relativistas) no sólo aumenta la masa del objeto que viaja, sino que disminuye también su longitud en la misma dirección del movimiento (contracción de Lorentz) y en dicho objeto y sus ocupantes – si es una nave – se retrasa al paso del tiempo, o dicho de otra manera, el tiempo allí transcurre más despacio.

A menudo se oye decir que las partículas no pueden moverse “más deprisa que la luz” y que la “velocidad de la luz” es el límite último de velocidad. Pero decir esto es decir las cosas a medias, porque la luz viaja a velocidades diferentes dependiendo del medio en el que se mueve. Donde más deprisa se mueve la luz es en el vacío: allí lo hace a 299.792’458 Km/s. Este sí es el límite último de velocidades que podemos encontrar en nuestro universo.

                                     Fotones emitidos por un rayo coherente conformado por un láser

Tenemos el ejemplo del fotón, la partícula mediadora de la fuerza electromagnética, un bosón sin masa que recorre el espacio a esa velocidad antes citada. Hace no muchos días se habló de la posibilidad de que unos neutrinos hubieran alcanzado una velocidad superior que la de la luz en el vacío y, si tal cosa fuera posible, o, hubiera pasado, habríamos de relegar parte de la Teoría de la Relatividad de Einstein que nos dice lo contrario y, claro, finalmente se descubrió que todo fue una falsa alarma generada por malas mediciones. Así que, la teoría del genio, queda intacta.

¡La Naturaleza! Observémosla.

emilio silvera

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Cuando los físicos trabajan con las matemáticas de la nueva teoría de supercuerdas, Einstein, sin que nadie le llame, allí aparece y se hace presente por medio de las ecuaciones de campo de la relatividad general que, como por arte de magia, surgen de la nada y se hacen presentes en la nueva teoría que todo lo unifica y también todo lo explica; posee el poder demostrar que todos los sorprendentes sucesos que se producen en nuestro universo (desde la frenética danza de una partícula subatómica que se llama quark hasta el majestuoso baile de las galaxias o de las estrellas binarias bailando un valls, la bola de fuego del Big Bang y los agujeros negros) todo está comprendido dentro de un gran principio físico en una ecuación magistral.

Las ecuaciones del Universo de Einstein

Esta nueva teoría requiere conceptos nuevos y matemáticas muy avanzados y nos exige cambiar nuestra manera actual de entender el espacio, el tiempo y la materia. Llevará cierto tiempo adaptarse a ella hasta instalarnos en un nivel en el que resulte cómodo su manejo y su entendimiento. No obstante, vista en su propio contexto, la teoría de cuerdas emerge como un producto impresionante pero natural, a partir de los descubrimientos revolucionarios que se han realizado en la física del último siglo. De hecho, gracias a esta nueva y magnifica teoría, veremos que el conflicto a que antes me refería existente entre la mecánica cuántica y la relatividad general no es realmente el primero, sino el tercero de una serie de conflictos decisivos con los que se tuvieron que enfrentar los científicos durante el siglo pasado, y que fueron resueltos como consecuencia de una revisión radical de nuestra manera de entender el universo.

El primero de estos conceptos conflictivos, que ya se había detectado nada menos que a finales del siglo XIX, está referido a las desconcertantes propiedades del movimiento de la luz.

Isaac Newton y sus leyes del movimiento nos decía que si alguien pudiera correr a una velocidad suficientemente rápida podría emparejarse con un rayo de luz que se esté emitiendo, y las leyes del electromagnetismo de Maxwell decían que esto era totalmente imposible. Einstein, en 1905, vino a solucionar el problema con su teoría de la relatividad especial y a partir de ahí le dio un vuelco completo a nuestro modo de entender el espacio y el tiempo que, según esta teoría, no se pueden considerar separadamente y como conceptos fijos e inamovibles para todos, sino que por el contrario, el espacio-tiempo era una estructura maleable cuya forma y modo de presentarse dependían del estado de movimiento del observador que lo esté midiendo.

El escenario creado por el desarrollo de la relatividad especial construyó inmediatamente el escenario para el segundo conflicto. Una de las conclusiones de Einstein es que ningún objeto (de hecho, ninguna influencia o perturbación de ninguna clase) puede viajar a una velocidad superior a la de la luz. Einstein amplió su teoría en 1915 – relatividad general – y perfeccionó la teoría de la gravitación de Newton, ofreciendo un nuevo concepto de la gravedad que estaba producida por la presencia de grandes masas, tales como planetas o estrellas, que curvaban el espacio y distorsionaban el tiempo.

La Gravedad sigue firme como el Peñón de Gibraltar como nos decía Dirac. Así se confirma con las pruebas realizadas de diversas maneras

Tales distorsiones en la estructura del espacio y el tiempo transmiten la fuerza de la gravedad de un lugar a otro. La luna no se escapa y se mantiene ahí, a 400.000 Km de distancia de la Tierra, porque está influenciada por la fuerza de gravedad que ambos objetos crean y los mantiene unidos por esa cuerda invisible que tira de la una hacia la otra y viceversa. Igualmente ocurre con el Sol y la Tierra que, separados por 150 millones de kilómetros, están influidos por esa fuerza gravitatoria que hace girar a la Tierra (y a los demás planetas del Sistema Solar) alrededor del Sol.

Así las cosas, no podemos ya pensar que el espacio y el tiempo sean un telón de fondo inerte en el que se desarrollan los sucesos del universo, al contrario; según la relatividad especial y la relatividad general, son actores que desempeñan un papel íntimamente ligado al desarrollo de los sucesos.

El descubrimiento de la relatividad general, aunque resuelve un conflicto, nos lleva a otro. Durante tres décadas desde 1.900, en que Max Planck publicó su trabajo sobre la absorción o emisión de energía de manera discontinua y mediante paquetes discretos a los que él llamo cuantos, los físicos desarrollaron la mecánica cuántica en respuesta a varios problemas evidentes que se pusieron de manifiesto cuando los conceptos de la física del siglo XIX se aplicaron al mundo microscópico. Así que el tercer conflicto estaba servido, la incompatibilidad manifiesta entre relatividad general y mecánica cuántica.

La forma geométrica ligeramente curvada del espacio que aparece a partir de la relatividad general, es incompatible con el comportamiento microscópico irritante y frenético del universo que se deduce de la mecánica cuántica, lo cual era sin duda alguna el problema central de la física moderna.

Concepción artística de la sonda Gravity Probe B orbitando la Tierra para medir el espacio-tiempo, una descripción de cuatro dimensiones del universo, incluyendo la altura, anchura, longitud y tiempo….

Las dos grandes teorías de la física, la relatividad general y la mecánica cuántica, infalibles y perfectas por separado, no funcionaban cuando tratábamos de unirlas, eran incompatibles.

Entonces llegó la nueva teoría que siguió a la de supersimetría y super-gravedad que no dieron la talla. Sin embargo, la teoría de supercuerdas, según todos los indicios, es una candidata muy firme para que de una vez por todas queden unificadas la relatividad general de Einstein y la mecánica cuántica de Planck y otros.

SMOS utiliza 69 antenas dispuestas en tres brazos en forma de Y para medir con exactitud esta radiación térmica proveniente de la superficie de la Tierra.

La solución que ofrece la teoría de cuerdas data demediados de la década de los ochenta. Además, la teoría de cuerdas se construye sobre la relatividad general y sobre la relatividad especial y a partir de la teoría de Kaluza–Klein que vino a imponer el concepto de más dimensiones; además de las tres de espacio y una de tiempo cotidianas, otras dimensiones permanecen enrolladas como espacios arrugados que no se desarrollaron, como las tras que conocemos en el mundo ordinario, y quedaron retenidos en el límite de Planck. Son como estructuras plegadas del cosmos, dimensiones que existen y que por razones que no conocemos, no llegaron a desplegarse en el instante primero del Big Bang y permanecen ahí ocultas a nuestra vista.

La teoría de cuerdas, en realidad, es la historia del espacio y el tiempo desde Einstein en adelante. Físicos modernos y avanzados como el famoso “cuarteto de cuerdas” de Princeton, capitaneados por Gross, trabajaron en la teoría de cuerdas ya elaborada antes por otros y la perfeccionaron con la versión de la cuerda heterótica, muy bien elaborada y de amplios y nuevos conceptos.

La última versión y más avanzada de la teoría de supercuerdas, es la conocida como la teoría M de E. Witten (también de Princeton), que lleva la M de mágica dada su perfección de planteamientos que han llevado a esta teoría a unas alturas del conocimiento científico de la física y de las matemáticas que están al alcance de pocos el poder comprender plenamente.

La teoría de cuerdas es un modelo físico que trata de unificar todas las fuerzas de la naturaleza. “Una teoría para gobernarlas a todas”

La teoría de cuerdas profundiza mucho más en la materia y en las fuerzas fundamentales, llega mucho más allá en el conocimiento de las cosas y en ella están los átomos, los electrones, los protones y neutrones, los quarks… y las “cuerdas”.

En realidad, según esta nueva teoría, si pudiéramos observar con aparatos más perfeccionados de los que tenemos actualmente la verdadera estructura de la materia, veríamos que además de los pequeños quarks, existen otros minúsculos filamentos que como cuerdas vibran, oscilan y bailan como elásticos de goma infinitamente delgados.

En los tiempos de Einstein no se había descubierto aun la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil, pero él opinaba que la existencia de dos fuerzas distintas (la gravedad y el electromagnetismo) era profundamente preocupante. A Einstein le costaba admitir que la naturaleza se basara en un modelo tan extravagante. Esta opinión le llevó a ese viaje de treinta años en los que, infructuosamente, buscó una teoría unificada de campos demostrativa de que todo se basaba en un único principio.

Einstein quedó aislado en esta búsqueda quijotesca que lo apartó de la corriente principal y más viva de la física que, por aquel entonces, estaba más interesada en profundizar en el marco de la mecánica cuántica, surgida con fuerza en aquellos años.

En el comienzo de la década de los 40, Einstein escribía a un amigo: “Me he convertido en un tipo viejo y solitario que es conocido principalmente por no usar calcetines y al que exhiben como una curiosidad en ocasiones especiales”.

Lo que sucedía era que Einstein, sencillamente, como había hecho en otras ocasiones, se estaba adelantando con su visión de futuro a su época.  Más de un siglo después, su sueño de una teoría unificada se ha convertido en el Santo Grial de la física moderna. Los físicos-matemáticos más prestigiosos del mundo están convencidos de que en la teoría de cuerdas puede estar la respuesta al sueño de Einstein que él no pudo alcanzar porque, entre otras razones, en su tiempo no se conocían las matemáticas que son necesarias para plasmarla. Incluso ahora, a principios del siglo XXI en que la teoría está muy avanzada, son necesarias matemáticas que aún nadie es capaz de inventar para llegar al fondo de la esperada respuesta final.

Parte real (rojo) y parte imaginaria (azul) de la línea crítica Re(s) = 1/2 de la función zeta de Riemann. Pueden verse los primeros ceros no triviales en Im(s) = ±14,135, ±21,022 y ±25,011.

Un gráfico polar de zeta, esto es, Re(zeta) vs. Im(zeta), a lo largo de la línea crítica s=it+1/2, con t con valores desde 0 a 34.

distribución de los cerosde la función Zeta de Reimann ζ(s).

La hipótesis de Riemann, por su relación con la distribución de los números primos en el conjunto de los naturales, es uno de los problemas abiertos más importantes en la matemática contemporánea.

Se ha ofrecido un premio de un millón de dólares por el Instituto de Matemáticas para la primera persona que desarrolle una demostración correcta de la conjetura. La mayoría de la comunidad matemática piensa que la conjetura es cierta, aunque otros grandes matemáticos como J. E. Littlewood y Atle Selberg se mostraron escépticos, si bien el escepticismo de Selberg fue disminuyendo desde sus días de juventud. En un artículo en 1989 sugirió que un análogo debe ser cierto para una clase mucho más amplia de funciones (la clase de Selberg).

¿Estará la respuesta escondida en las funciones modulares de los cuadernos perdidos de Ramanujan?

Ante todo estos planteamientos que tratan los cerebros más privilegiados del mundo para descubrir el misterio final del universo, la materia, el espacio-tiempo y las fuerzas fundamentales que interaccionan con las partículas fundamentales o elementales de las que todo está hecho, nos podríamos parar a pensar y preguntarnos:

¿Es posible que las maravillas de la vida y del universo sean meros reflejos de unas partículas microscópicas implicadas en una danza sin sentido, totalmente coreografiados por las leyes de la física?

¿Es realmente posible que los sentimientos de alegría, pena, aburrimiento, curiosidad, ansias de saber o de amar no sean más que unas reacciones químicas que tienen lugar en el cerebro, unas reacciones entre moléculas y átomos que, yendo a un nivel aún más microscópico, son reacciones entre algunas de las partículas que llamamos elementales y más profundamente aún, todo sea debido en su origen a unas infinitesimales cuerdas vibrantes?

Yo desde luego no tengo el talento necesario ni los conocimientos requeridos para contestar a estas preguntas de una manera clara y precisa y con todo lujo de detalles. Sin embargo, por lo poco que sé, pocas dudas me pueden acechar sobre una cosa para mí muy cierta.

Formamos parte del universo y estamos hechos por los materiales complejos que sólo se pueden formar en las estrellas. El polvo estelar de supernova que hizo posible nuestra existencia se formaría, seguramente, hace miles de millones de años en estrellas situadas a miles o millones de años luz de distancia.

Toda la materia conocida está formada por los quarks que forman protones y neutrones que forman los núcleos que al ser rodeados por los electrones, componen los átomos, que al unirse dan lugar a células, que juntas conforman la materia.

Así también estamos formados todos nosotros, que con esos materiales complejos y en unas condiciones muy especiales de un planeta Tierra primitivo, bombardeado por enormes tormentas, acribillado por rayos y partículas y radiaciones cósmicas como las ultravioletas y gamma, en los océanos y mares primigenios y en una enrarecida atmósfera, surgió la primera célula que fue capaz de multiplicarse para que miles de años y de millones de años después, tras una larga y penosa evolución, apareciéramos nosotros, unos seres capaces de pensar y de tener conciencia de su propia existencia, buscar en sus orígenes y mirar en su futuro, sentir unos sentimientos muy profundos que nos elevan a una categoría muy por encima de todas las demás cosas conocidas y, en este punto, tras toda esta larga reflexión, yo mismo me digo que sí, la ciencia nos demuestra que aunque nos parezca mentira, aunque lo clasifiquemos como “milagro”, todos nosotros, a pesar de estar dotados de esos sentimientos, estamos hecho de ese mismo ingrediente que llamamos materia formada por partículas diminutas que a partir de algo inanimado e inerte, dio lugar a lo que somos ahora.

¡Nos quedan tantos secretos que desvelar!

emilio silvera

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 En 1874 estableció la hipótesis según la cual la electricidad era creada por unos corpúsculos elementales que llamó electrones, cuya carga intentó calcular.

George J. Stoney, el físico irlandés y pensador excéntrico y original al que, en realidad, debemos la forma de deducir si otros planetas del sistema solar poseían o no una atmósfera gaseosa, como la Tierra, calculando si su gravedad superficial era suficientemente intensa para mantener esa atmósfera.

Pero su pasión real estaba reservada a su idea más preciada: el “electrón”. Stoney había deducido que debía existir un componente básico de carga eléctrica. Estudiando los experimentos de Michael Faraday sobre electrolisis, Stoney había predicho incluso cuál debía ser su valor, una predicción posteriormente confirmada por J. J. Thomson, descubridor del electrón en Cambridge en 1897, dándole la razón a Stoney que finalmente, a esta unidad básica de la electricidad, le dio el nombre de electrón con el símbolo e en 1891 (antes de su descubrimiento).

Alan Turing                                        George Francis Fitzgerald

Stoney, primo lejano y más viejo del famoso matemático, científico de computación y criptógrafo Alan Turing, también era tío de George Fitzgerald, después famoso por proponer la “contracción Fitzgerald-Lorentz”, un fenómeno que fue entendido finalmente en el contexto de la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Stoney, podemos decir con seguridad, fue el primero que señaló el camino para encontrar lo que más tarde conoceríamos como constantes fundamentales, esos parámetros de la física que son invariantes, aunque su entorno se transforme. Ellas, las constantes, continúan inalterables como sucede, por ejemplo, con la velocidad de la luz c, que sea medida en la manera que sea, esté en reposo o esté en movimiento quien la mide o la fuente de donde parte, su velocidad será siempre la misma, 299.792.458 m/s. Algo análogo ocurre con la gravedad, G, que en todas partes mide el mismo parámetro  o valor: G = 6’67259 × 10^-11 m³ s^-2 Kg^-1. Es la fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de la masa de los cuerpos y de la distancia entre ellos; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado de la distancia de acuerdo a la ley de la inversa del cuadrado.

Profesor de filosofía natural (así llamaban antes a la Física) en el Queen’s College Galway en 1860, tras su retiro se trasladó a Hornsey, al norte de Londres, y continuó publicando un flujo de artículos en la revista científica de la Royal Dublín Society, siendo difícil encontrar alguna cuestión sobre la que no haya un artículo firmado por él.

Stoney recibió el encargo de hacer una exposición científica del tema que él mismo eligiera para el programa de la reunión de Belfast de la Asociación Británica. Pensando en qué tema elegir, se dio cuenta de que existían medidas y patrones e incluso explicaciones diferentes para unidades que median cosas o distancias o algún fenómeno: se preguntaba la manera de cómo definirlos mejor y como interrelacionarlos. Vio una oportunidad para tratar de simplificar esta vasta confusión de patrones humanos de medida de una manera tal que diese más peso a su hipótesis del electrón.

En tal situación, Stoney centró su trabajo en unidades naturales que transcienden los patrones humanos, así que trabajó en la unidad de carga electrónica (según su concepto), inspirado en los trabajos de Faraday como hemos comentado antes. También, como unidades naturales escogió G y c que responde, como se ha explicado, a la gravedad universal y la velocidad de la luz en el vacío.

                                          El electrón como faro y sus unidades adimensionales

En su charla de la Reunión de Belfast, Stoney se refirió al electrón como el “electrino” y dio el primer cálculo de su valor esperado. Demostró que el trío mágico de G, c y e podía combinarse de una manera, y sólo de una, de modo que a partir de ellas se creaban una unidad de masa, una unidad de longitud y una unidad de tiempo. Para la velocidad de la luz utilizó un promedio de las medidas existentes, c = 3 × 10⁸ metros por segundo; para la constante de gravitación de Newton utilizó el valor obtenido por John Herschel, G = 6’67259 × 10^-11 m³ s^-2 Kg^-1, y para la unidad de carga del “electrino” utilizó e = 10^-20 amperios. Estas fueron las inusuales nuevas unidades que él encontró, en términos de las constantes e, c y G, y en términos de gramo, metros y segundos (omito las ecuaciones).

Estas son cantidades extraordinarias. Aunque una masa de 10^-7 gramos no es demasiado espectacular – es similar a la de una mota de polvo – las unidades de longitud y tiempo de Stoney eran muy diferentes de cualquiera que hubieran encontrado antes los científicos.  Eran fantásticamente pequeñas, rozando lo inconcebible. No había (y sigue sin haber) ninguna posibilidad de medir directamente tales longitudes y tiempos. En cierto modo, esto es lo que se podría haber esperado. Estas unidades no están construidas deliberadamente a partir de dimensiones humanas, por conveniencia humana o para utilidad humana.  Están definidas por la propia fábrica de la realidad física que determina la naturaleza de la luz, la electricidad y la gravedad.  No se preocupan de nosotros. Stoney triunfó de un modo brillante en su búsqueda de un sistema de unidades sobrehumanas.

“La ciencia no puede resolver el misterio final de la Naturaleza.  Y esto se debe a que, en el último análisis, nosotros somos parte del misterio que estamos tratando de resolver”.

Max Planck

Las unidades naturales de Max Planck

Al dar valor 1 a las cinco constantes fundamentales, las unidades de tiempo, longitud, masa, carga y temperatura se definen así:

Tabla 2: Unidades de Planck básicas

Nombre	Dimensión	Expresión
Longitud de Planck	Longitud (L)		1.616 252(81) × 10−35 m
Masa de Planck	Masa (M)		2.176 44(11) × 10−8 kg
Tiempo de Planck	Tiempo (T)		5.391 24(27) × 10−44 s
Carga de Planck	Carga eléctrica (Q)		1.875 545 870(47) × 10−18
Temperatura de Planck	Temperatura (ML2T-2/k)		1.416 785(71) × 1032 K

Las unidades de Planck o unidades naturales son un sistema de unidades propuesto por primera vez en 1899 por Max Planck. El sistema mide varias de las magnitudes fundamentales del universo: tiempo, longitud, masa, carga eléctrica y temperatura. … El uso de este sistema de unidades trae consigo varias ventajas.

La idea de Stoney fue descubierta en una forma diferente por el físico alemán Max Planck en 1899, un año antes de que expusiera al mundo su teoría del “cuanto de acción” h.

Planck es uno de los físicos más importantes de todos los tiempos.  Como antes he apuntado, descubrió la naturaleza cuántica de la energía que puso en marcha la revolución cuántica de nuestra comprensión del mundo, ofreció la primera descripción correcta de la radiación térmica (“espectro de Planck”) y una de las constantes fundamentales de la naturaleza lleva su nombre.

Ganador del premio Nobel de Física de 1918, también fue, en el primer momento, el único que comprendió la importancia que, para la física y para el mundo, tendría el artículo del joven Einstein, en 1.05, sobre la teoría de la relatividad especial.  Hombre tranquilo y modesto que fue profundamente admirado por sus contemporáneos más jóvenes, como el mismo Einstein y Bohr.

La concepción que tenía Planck de la naturaleza ponía mucho énfasis en su racionalidad intrínseca y en su independencia del pensamiento humano. Había que encontrar esas estructuras profundas que estaban lejos de las necesidades de la utilidad y conveniencia humanas pero que, en realidad, estaban ahí ocultas en lo más profundo de los secretos naturales y eran las responsables de que nuestro mundo, nuestro universo, fuese tal como lo conocemos.

En el último año de su vida un antiguo alumno le preguntó si creía que buscar la forma de unir todas las constantes de la naturaleza mediante alguna teoría más profunda era atractivo. Le contestó con el entusiasmo templado por el realismo y experiencia conociendo cuantas dificultades entrañaba tal empresa.

“Su pregunta sobre la posibilidad de unificar todas las constantes universales de la naturaleza, es sin duda una idea atractiva.  Por mi parte, sin embargo, tengo dudas de que se logre con éxito. Pero puedo estar equivocado”

A diferencia de Einstein, Planck no creía que se pudiera alcanzar realmente una teoría globalizadora que explicara todas las constantes de la naturaleza.

emilio silvera

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¿Qué no será capaz de inventar el hombre para descubrir los misterios de la naturaleza?

Esta fue la semilla que sembró Planck para que creciera el árbol de la mecánica cuántica

Cuando, a finales del siglo XIX, un joven Max Planck expresó ante un profesor de física su deseo de dedicarse a la disciplina, recibió la respuesta de que ya no quedaban grandes cosas por aprender: a lo más a lo que podía aspirar un físico en aquella época era a clarificar algunos detalles menores. Sin embargo, Planck no se dejó amedrentar. Pocos años después, sus investigaciones daban el pistoletazo de salida a la mecánica cuántica y, con ello, contribuyeron a cambiar para siempre la imagen del mundo.

Constante universal, igual a 6.55×10^-27 ergios por segundo. El cuanto de acción es la magnitud fundamental, descubierta por Planck (1900), de la mecánica cuántica.

¿Destruyen los agujeros negros la información? ¿Tiene el universo más dimensiones? ¿Cuál es el destino del cosmos? Diez preguntas fundamentales que siguen espoleando la imaginación de los físicos.

Los agujeros negros pueden describirse como pozos oscuros que tragan para siempre todo lo que cae en ellos. Hace tiempo que los astrónomos cuentan con indicios claros de su existencia. Sin embargo, su descripción última en términos físicos sigue siendo todo un misterio.

Sin la gravedad nuestro universo no existiría. Sus efectos resultan obvios: se trata de la fuerza que nos mantiene pegados a la Tierra, la que hace que los planetas giren alrededor del Sol y la que cohesiona las galaxias. Sin embargo, los mecanismos que subyacen a esta interacción fundamental siguen siendo un misterio. No hemos sido capaces de localizar a la partícula mediadora, el Bosón llamado Gravitón (si en realidad existe).

El espacio ordinario tiene tres dimensiones: arriba-abajo, adelante-atrás e izquierda-derecha. Sin embargo, nada impide que tenga más. La teoría de cuerdas, por ejemplo, predice un espacio-tiempo de diez dimensiones: nueve más el tiempo, algo imposible de visualizar pero perfectamente posible desde el punto de vista matemático. De hecho, la idea de que el universo podría tener más dimensiones de las que podemos ver no es nueva, sino que se remonta a los años veinte del siglo pasado.

La Teoría de Kaluza-Klein lo comenzó todo al imaginar la quinta dimensión en una teoría que unía la teoría de Einstein con la de Maxwell. Se ha llegado a la Teoría M que recoge todos las demás, y, para verificarla se necesita la energía de Planck (10¹⁹ GeV) que, está fuera del alcance de la Humanidad.

Los cuerpos celestes que nos son familiares no constituyen más que una pequeña fracción de todo lo que existe. Según todas las observaciones y modelos, la radiación y la materia que conocemos (la luz y los átomos que componen los planetas, las estrellas y todo lo demás que podemos ver) apenas darían cuenta del 5 por ciento del contenido energético total del universo. El resto se compone de dos agentes de naturaleza desconocida, conocidos como materia oscura y energía oscura.

(Se debería decir… “El resto parece que se compone de…”

 Una teoría unificada

Numerosos físicos, Einstein incluido (se pasó los últimos 30 años de su vida buscándola), han soñado con la posibilidad de formular una teoría a partir de la cual pudieran derivarse todas las leyes de la naturaleza. Y aunque hasta ahora todos los intentos al respecto han sido infructuosos, no pocos investigadores se hallan convencidos de que semejante teoría final debería existir (soñar no cuesta mucho).

                                            Confirman el entrelazamiento cuántico

“Por extrañas que puedan parecer, tales propiedades han sido verificadas una y otra vez en todo tipo de experimentos. Sin embargo, no existe un consenso claro sobre qué noción de realidad física subyace a tales fenómenos. ¿Depende la realidad de la manera en que la investigamos? ¿Existen otros universos en los que se materializan las distintas probabilidades cuánticas? ¿Es correcta la interpretación habitual de la función de onda? Sea como fuere, la mecánica cuántica parece apuntar a los límites de nuestro entendimiento: en su nivel fundamental, el universo parece tener una estructura completamente distinta de la que nos indica nuestra experiencia cotidiana”

      La supuesta explosión que lo empezó todo

Temperatura del Cero absoluto (-273,15 grados centígrados), ni los átomos se moverán, será el fin del Universo.

Aunque la temperatura más alta que puede alcanzar la materia se calcula en casi 1.420 quintillones de grados centígrados —la llamada Temperatura de Planck—, el límite del frío máximo nos queda mucho más próximo: el cero absoluto, cero kelvins en el sistema internacional de unidades, se estima en -273,15 grados.

Ha pasado mucho tiempo desde que Rutherford identificara la primera partícula nuclear (la partícula alfa). El camino ha sido largo y muy duro, con muchos intentos fallidos antes de ir consiguiendo los triunfos (los únicos que suenan), y muchos han sido los nombres que contribuyen para conseguir llegar al conocimiento del átomo y del núcleo actual; los electrones circulando alrededor del núcleo, en sus diferentes niveles, con un núcleo compuesto de protones y neutrones que, a su vez, son constituidos por los quarks allí confinados por los gluones, las partículas mediadoras de la fuerza nuclear fuerte. Pero, ¿qué habrá más allá de los quarks?, ¿las supercuerdas vibrantes? Algún día se sabrá.

Partículas

El universo de las partículas es fascinante. Cuando las partículas primarias chocan con átomos y moléculas en el aire, aplastan sus núcleos y producen toda clase de partículas secundarias. En esta radiación secundaria (aún muy energética) la que detectamos cerca de la Tierra, por los globos enviados a la atmósfera superior, han registrado la radiación primaria.

El físico estadounidense Robert Andrews Millikan, que recogió una gran cantidad de información acerca de esta radiación (y que le dio el nombre de rayos cósmicos), decidió que debería haber una clase de radiación electromagnética. Su poder de penetración era tal que, parte del mismo, atravesaba muchos centímetros de plomo. Para Millikan, esto sugería que la radiación se parecía a la de los penetrantes rayos gamma, pero con una longitud de onda más corta.

Holly Compton

Otros, sobre todo el físico norteamericano Holly Compton, no estaban de acuerdo en que los rayos cósmicos fuesen partículas. Había un medio para investigar este asunto; si se trataba de partículas cargadas, deberían ser rechazadas por el campo magnético de la Tierra al aproximarse a nuestro planeta desde el espacio exterior. Compton estudió las mediciones de la radiación cósmica en varias latitudes y descubrió que en realidad se curvaban con el campo magnético: era más débil cera del ecuador magnético y más fuerte cerca de los polos, donde las líneas de fuerza magnética se hundían más en la Tierra.

Las partículas cósmicas primarias, cuando entran en nuestra atmósfera, llevan consigo unas energías fantásticas, muy elevadas. En general, cuanto más pesado es el núcleo, más raro resulta entre las partículas cósmicas. Núcleos tan complejos como los que forman los átomos de hierro se detectaron con rapidez; en 1.968, otros núcleos como el del uranio. Los núcleos de uranio constituyen sólo una partícula entre 10 millones. También se incluirán aquí electrones de muy elevada energía.

Ahora bien, la siguiente partícula inédita (después del neutrón) se descubrió en los rayos cósmicos. A decir verdad, cierto físico teórico había predicho ya este descubrimiento. Paul Adrien Dirac había aducido, fundándose en un análisis matemático de las propiedades inherentes a las partículas subatómicas, que cada partícula debería tener su antipartícula (los científicos desean no sólo que la naturaleza sea simple, sino también simétrica). Así pues, debería haber un antielectrón, salvo por su carga que sería positiva y no negativa, idéntico al electrón; y un antiprotón, con carga negativa en vez de positiva.

Ecuación de Dirac que predice la existencia del Positrón

En 1.930, cuando Dirac expuso su teoría, no llamó demasiado la atención en el mundo de la ciencia. Pero, fiel a la cita, dos años después apareció el antielectrón. Por entonces, el físico americano Carl David Anderson trabajaba con Millikan en un intento por averiguar si los rayos cósmicos eran radiación electromagnética o partículas. Por aquellas fechas, casi todo el mundo estaba dispuesto a aceptar las pruebas presentadas por Compton, según las cuales, se trataría de partículas cargadas; pero Millikan no acababa de darse por satisfecho con tal solución.

Anderson se propuso averiguar si los rayos cósmicos que penetraban en una cámara de ionización se curvaban bajo la acción de un potente campo magnético. Al objeto de frenar dichos rayos lo suficiente como para detectar la curvatura, si la había, puso en la cámara una barrera de plomo de 6’35 mm de espesor. Descubrió que, cuando cruzaba el plomo, la radiación cósmica trazaba una estela curva a través de la cámara; y descubrió algo más. A su paso por el plomo, los rayos cósmicos energéticos arrancaban partículas de los átomos de plomo. Una de esas partículas dejó una estela similar a la del electrón. ¡Allí estaba, pues, el antielectrón de Dirac! Anderson le dio el nombre de positrón. Tenemos aquí un ejemplo de radiación secundaria producida por rayos cósmicos. Pero aún había más, pues en 1.963 se descubrió que los positrones figuraban también entre las radiaciones primarias.

                                                         Solo las cargas los diferencian

Abandonado a sus propios medios, el positrón es tan estable como el electrón (¿y por qué no habría de serlo si el idéntico al electrón, excepto en su carga eléctrica?). Además, su existencia puede ser indefinida. Ahora bien, en realidad no queda abandonado nunca a sus propios medios, ya que se mueve en un universo repleto de electrones. Apenas inicia su veloz carrera (cuya duración ronda la millonésima de segundo), se encuentra ya con uno.

Así, durante un momento relampagueante quedaron asociados el electrón y el positrón; ambas partículas girarán en torno a un centro de fuerza común. En 1.945, el físico americano Arthur Edwed Ruark sugirió que se diera el nombre de positronio a este sistema de dos partículas, y en 1.951, el físico americano de origen austriaco  Martin Deutsch consiguió detectarlo guiándose por los rayos gamma característicos del conjunto.

CERN Courier

Pero no nos confundamos, aunque se forme un sistema positronio, su existencia durará, como máximo, una diezmillonésima de segundo. El encuentro del electrón-positrón provoca un aniquilamiento mutuo; sólo queda energía en forma de radiación gamma. Ocurre pues, tal como había sugerido Einstein: la materia puede convertirse en energía y viceversa. Por cierto, que Anderson consiguió detectar muy pronto el fenómeno inverso: desaparición súbita de rayos gamma para dar origen a una pareja electrón-positrón. Este fenómeno se llama producción en pareja. Anderson compartió con Hess el premio Nobel de Física de 1.936.

Poco después, los Joliot-Curie detectaron el positrón por otros medios, y al hacerlo así realizaron, de paso, un importante descubrimiento. Al bombardear los átomos de aluminio con partículas alfa, descubrieron que con tal sistema no sólo se obtenían protones, sino también positrones. Cuando suspendieron el bombardeo, el aluminio siguió emitiendo positrones, emisión que sólo con el tiempo se debilitó. Aparentemente habían creado, sin proponérselo, una nueva sustancia radiactiva. He aquí la interpretación de lo ocurrido según los Joliot-Curie: cuando un núcleo de aluminio absorbe una partícula alfa, la adición de los dos protones transforma el aluminio (número atómico 13) en fósforo (número atómico 15). Puesto que las partículas alfa contienen cuatro nucleones en total, el número masivo se eleva 4 unidades, es decir, del aluminio 27 al fósforo 31. Ahora bien, si al reaccionar se expulsa un protón de ese núcleo, la reducción en una unidad de sus números atómicos y masivos hará surgir otro elemento, o sea, el silicio 30.

Puesto que la partícula alfa es el núcleo del helio, y un protón es el núcleo del hidrógeno, podemos escribir la siguiente ecuación de esta reacción nuclear:

aluminio 27 + helio 4 = silicio 30 + hidrógeno 1

Nótese que los números másicos se equilibran:

27 + 4 = 30 + 1

Adentrarse en el universo de las partículas que componen los elementos de la tabla periódica, y en definitiva, la materia conocida, es verdaderamente fantástico.

Tan pronto como los Joliot-Curie crearon el primer isótopo radiactivo artificial, los físicos se lanzaron en tropel a producir tribus enteras de ellas. En realidad, las variedades radiactivas de cada elemento en la tabla periódica son producto de laboratorio. En la moderna tabla periódica, cada elemento es una familia con miembros estables e inestables, algunos procedentes de la naturaleza, otros sólo del laboratorio. Por ejemplo, el hidrógeno presenta tres variedades: en primer lugar, el corriente, que tienen un solo protón. En 1.932, el químico Harold Urey logró aislar el segundo. Lo consiguió sometiendo a lenta evaporación una gran cantidad de agua, de acuerdo con la teoría de que los residuos representarían una concentración de la forma más pesada del hidrógeno que se conocía, y, en efecto, cuando se examinaron al espectroscopio las últimas gotas de agua no evaporadas, se descubrió en el espectro una leve línea cuya posición matemática revelaba la presencia de hidrógeno pesado.

El núcleo de hidrógeno pesado está constituido por un protón y un neutrón. Como tiene un número másico de 2, el isótopo es hidrógeno. Urey llamó a este átomo deuterio (de la voz griega deutoros, “segundo”), y el núcleo deuterón. Una molécula de agua que contenga deuterio se denomina agua pesada, que tiene puntos de ebullición y congelación superiores al agua ordinaria, ya que la masa del deuterio es dos veces mayor que la del hidrógeno corriente. Mientras que ésta hierve a 100º C y se congela a 0º C, el agua pesada hierve a 101’42º C y se congela a 3’79º C. El punto de ebullición del deuterio es de -23’7º K, frente a los 20’4º K del hidrógeno corriente. El deuterio se presenta en la naturaleza en la proporción de una parte por cada 6.000 partes de hidrógeno corriente. En 1.934 se otorgó a Urey el premio Nobel de Química por su descubrimiento del deuterio.

El deuterio resultó ser una partícula muy valiosa para bombardear los núcleos. En 1.934, el físico australiano Marcus Lawrence Edwin Oliphant y el austriaco P. Harteck atacaron el deuterio con deuterones y produjeron una tercera forma de hidrógeno, constituido por un protón y dos neutrones. La reacción se planteó así:

hidrógeno 2 + hidrógeno 2 = hidrógeno 3 + hidrógeno 1

Este nuevo hidrógeno superpesado se denominó tritio (del griego tritos, “tercero”); su ebullición a 25º K y su fusión  a 20’5º K.

                        Si te pasa por la Mente una idea interesante… ¡La sigues!

Como es mi costumbre, me desvío del tema y sin poderlo evitar, mis ideas (que parecen tener vida propia), cogen los caminos más diversos. Basta con que se cruce en el camino del trabajo que realizo un fugaz recuerdo; lo sigo y me lleva a destinos distintos de los que me propuse al comenzar. Así, en este caso, me pasé a la química, que también me gusta mucho y está directamente relacionada con la física; de hecho son hermanas: la madre, las matemáticas, la única que finalmente lo podrá explicar todo.

emilio silvera

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“En 1905, un oscuro empleado de la Oficina de Patentes de Berna publicó cinco artículos científicos que sentaron las bases de la física de nuestro tiempo. Albert Einstein tenía 25 años. A pesar de la importante repercusión de estos estudios, siguió trabajando como examinador de patentes.”

Efecto fotoeléctrico

Fue por esta investigación, publicada en junio de 1905, que Einstein ganó el premio Nobel de Física en 1921 (y no por la teoría de la relatividad).

• ¿Es la luz una onda o una partícula? Einstein respondió “ambas” y cambió la física para siempre

El movimiento Browniano

Determinación de las dimensiones moleculares

Este estudio le valió su doctorado en la Universidad de Zúrich, en Suiza.

Varios autores lo consideran como parte del “año milagroso” porque Einstein terminó de escribirlo en abril de 1905 y lo envió a Annalen der Physik en agosto, pero fue publicado en enero de 1906, después de corregir algunos cálculos.

En esta investigación, Einstein desarrolló un método de dos ecuaciones para medir el tamaño y la masa de las moléculas.

Las ecuaciones se valían de datos sobre la viscosidad (resistencia que ofrece un líquido a la acción de fluir) y la difusión de partículas de azúcar en agua, para despejar las dos variables que buscaba: el tamaño de las moléculas y el número que hay de ellas (conocido como el número de Avogadro).

“Su tesis se convertiría en uno de sus trabajos más citados y de mayor utilidad práctica, con aplicaciones en ámbitos tan diversos como la mezcla de cemento, la producción de leche y la fabricación de aerosoles”, señala Isaacson en la biografía del físico.

Movimiento browniano

En 1827 Robert Brown, un botánico escocés, observó en el microscopio que unas partículas de polen llamadas amiloplastos se movían aleatoriamente cuando estaban suspendidas en agua, sin seguir un patrón definido. Pero no supo explicar por qué.

Este misterioso movimiento pasó a ser conocido como “movimiento browniano”.

Albert Einstein, hace un siglo, pensaba que era imposible medir la velocidad elocidad resultado confirma, como es de esperar, predicción teórica de Einstein (realizada en 1907). Raizen y su grupo han logrado demostrar experimentalmente el teorema de equipartición de la energía para partículas en movimiento browniano, uno de los principios fundamentales de la mecánica estadística (el teorema afirma que la velocidad cinética de estas partículas depende sólo de la temperatura y no de su forma, tamaño o masa).

En su investigación, publicada en 1905, Einstein dijo que las partículas suspendidas se movían al ser colisionadas por pequeñas partículas del agua, que a su vez se movían por efecto del calor, un fenómeno de la termodinámica.

Mientras más calor haya, más se mueven las partículas, que no serían otra cosa que átomos y moléculas de agua.

Esta explicación de Einstein sirvió como una prueba de la existencia de los átomos, que en esa época todavía no estaba completamente confirmada.

Electrodinámica de los cuerpos en movimiento o “relatividad especial”

 

Quizá este artículo, publicado en septiembre de 1905, sea el más famoso de los cinco que escribió en el “año milagroso”.

Einstein contaba que el origen de su trabajo sobre la relatividad especial se remontaba a un problema que él mismo se había planteado a los 16 años: ¿Cómo se vería un rayo de luz si uno viajara al lado de este a su misma velocidad?, cuenta Isaacson en la biografía del físico.

• Principio de la relatividad: Las leyes de la electrodinámica y de la óptica serán igualmente válidas para todos los sistemas de referencia en los cuáles se cumplan las leyes de la mecánica (sistemas inerciales, que se mueven con velocidad constante).
• La luz se propaga siempre en el espacio vacío con una velocidad definida, independiente del estado de movimiento del cuerpo emisor.

El concepto de “simultaneidad” se vuelve relativo:

• Sucesos que ocurren en el mismo lugar pero en diferentes tiempos en un sistema, ocurren en diferentes lugares cuando son observados desde otro sistema que se mueve respecto al primero.
• Sucesos que ocurren al mismo tiempo pero en diferentes lugares de un sistema, ocurren en diferentes tiempos cuando son observados desde otro sistema que se mueve respecto al primero.
• Sucesos que ocurren en el mismo lugar y al mismo tiempo serán simultáneos para todos los observadores.

El concepto de “sistema de referencia” produce efectos en el espacio y en el tiempo:

• Un observador de un sistema encontraría, a partir de sus propias medidas, que los intervalos de longitud de los objetos que se mueven con otro sistema se acortan (contracción de la longitud).
• Un observador de un sistema encontraría, a partir de sus propias medidas, que los intervalos de tiempo entre los sucesos que se producen en otro sistema se alargan (dilatación del tiempo).
• Estos efectos aparentes no existen para el sistema propio de cada observador y van desapareciendo a medida que la velocidad del movimiento disminuye respecto a la velocidad de la luz.

Los cinco trabajos que Einstein escribió en 1905 y que publicó en la revista Annalen der Physik tratan sobre problemas relacionados con tres grandes ramas de la física de esa época: la mecánica clásica, el electromagnetismo y la termodinámica, dice Dennis Lehmkuhl, editor científico de Einstein Papers Project, del Instituto de Tecnología de California (Caltech), a BBC Mundo.

Equivalencia de la masa y energía

 

En esta investigación, publicada en noviembre de 1905, Einstein presentó la fórmula E=mc², que es tal vez la ecuación más famosa del mundo, aunque no necesariamente sea la más fácil de entender.

En una carta enviada a Habitch, entre junio y septiembre de 1905, Einstein se refiere a este estudio, aunque reconoce que duda de sus resultados.

“Una consecuencia del estudio de la electrodinámica (relatividad especial) cruzó mi mente. El principio de la relatividad, junto con las ecuaciones de Maxwell, requieren que la masa sea una medida directa de la energía contenida en un cuerpo. La luz transporta masa con ella”, le dice a su amigo.

“La idea es divertida y seductora pero hasta donde sé, Dios podría estar riéndose de todo el asunto y podría muy bien haberme tomado el pelo”, añade.

Sin embargo, Einstein tenía razón. En la fórmula que propuso, “E” es por energía, “m” es por masa y “c”, por la velocidad de la luz (300.000 km/s) al cuadrado.

El aumento de energía causa un aumento directamente proporcional en la masa. En otras palabras, al viajar más rápido y aumentar la energía, la masa crece, y mientras más masa tiene un objeto, más difícil es acelerar, por lo que nada puede alcanzar la velocidad de la luz.

Esta fórmula completó la teoría de la relatividad especial.

“El brote de creatividad de Einstein en 1905 resultó asombroso”, escribe Isaacson.

La teoría de la relatividad:

https://proyectointegradomates.webnode.es/news/historia-de-la-astronomia-albert-einstein/

 

 

La ecuación

 

 

 

Cuando Einstein tenía 26 años, calculó exactamente cómo debía cambiar la energía si el principio de la relatividad era correcto, y descubrió la relación E=mc².  Puesto que la velocidad de la luz al cuadrado (c²) es un número astronómicamente grande, una pequeña cantidad de materia puede liberar una enorme cantidad de energía.  Dentro de las partículas más pequeñas de materia hay un almacén de energía, más de un millón de veces la energía liberada en una explosión química.  La materia, en cierto sentido, puede verse como un depósito casi inagotable de energía; es decir, la materia es en realidad, energía condensada.

Einstein supo ver que las dimensiones más altas tienen un propósito: unificar los principios de la Naturaleza.  Al añadir dimensiones más altas podía unir conceptos físicos que, en un mundo tridimensional, no tienen relación, tales como la materia y la energía o el espacio y el tiempo que, gracias a la cuarta dimensión de la relatividad especial, quedaron unificados.

Desde entonces, estos conceptos, los tenemos que clasificar, no por separado, sino siempre juntos como dos aspectos de un mismo ente materia-energía por una parte y espacio-tiempo por la otra.  El impacto directo del trabajo de Einstein sobre la cuarta dimensión fue, por supuesto, la bomba de hidrógeno, que se ha mostrado la más poderosa creación de la ciencia del siglo XX.  Claro que, en contra del criterio de Einstein que era un pacifista y nunca quiso participar en proyectos de ésta índole.

Einstein completó su teoría de la relatividad con una segunda parte que, en parte, estaba inspirada por lo que se conoce como principio de Mach, la guía que utilizó Einstein para crear esta parte final y completar su teoría de relatividad general.

Einstein enunció que, la presencia de materia-energía determina la curvatura del espacio-tiempo a su alrededor.  Esta es la esencia del principio físico que Riemann no logró descubrir: la curvatura del espacio está directamente relacionada con la cantidad de energía y materia contenida en dicho espacio.

                 La presencia de grandes masas curva el espacio y distorsiona el Tiempo

Esto, a su vez, puede resumirse en la famosa ecuación de Einstein, que esencialmente afirma:

Materia-energía determina la curvatura del espacio-tiempo

Esta ecuación engañosamente corta es uno de los mayores triunfos de la mente humana (me he referido a ella en otras muchas ocasiones).  De ella emergen los principios que hay tras los movimientos de las estrellas y las galaxias, los agujeros negros, el Big Bang, y seguramente el propio destino del Universo.

Es curiosa la similitud que se da entre la teoría del electromagnetismo y la relatividad general, mientras que Faraday experimentó y sabía los resultados, no sabía expresarlos mediante las matemáticas y, apareció Maxwell que, finalmente formuló la teoría.

                                                           Marcel Grossmann

Einstein desesperado al no encontrar la manera de expresar su Teoría de la Relatividad General, escribió a su amigo Marcel Grossmann, al que le pidió ayuda, y, éste le mandó una conferencia dada por un tal Riemann 70 años antes.

Cuando Einstein comenzó a ojear los documentos, su sangre se le heló en las venas, allí, delante de sus ojos tenía el Tensor métrico de Riemann que le solucionaba todos sus problemas

                             Faraday y Maxwell

Einstein, al igual que Faraday, había descubierto los principios físicos correctos, pero carecía de un formulismo matemático riguroso suficientemente potente para expresarlo (claro que Faraday no era matemático y Einstein si lo era).  Carecía de una versión de los campos de Faraday para la Gravedad.  Irónicamente, Riemann tenía el aparato matemático, pero no el principio físico guía, al contrario que Einstein.  Así que, finalmente, fue Einstein el que pudo formular la teoría con las matemáticas de Riemann.

        Supo comprender el alcance de ideas dispersas

Einstein, como todos sabéis, se apoyo en otros muchos para formular sus teorías relativistas desde Mach, Maxwell y Lorentz hasta el propio Riemann. Sin embargo, fue él quien tuvo la chispa de ingenio de ver con claridad el significado de todos aquellos postulados que andaban sueltos por el mundo de la física y supo reunirlos en una teoría coherente y unificadora que, a lo largo del tiempo, ha sido demostrada de manera más que suficiente y aclaratoria.

La obra de Einstein está revestida de grandes éxitos en el campo de la Física y de la Cosmología, y, hasta tal punto es así que, el Cosmos sería otro sin la teoría de la Relatividad General de cuyas ecuaciones -arriba reseñadas- aún se están obteniendo consecuencias mucho más allá de los agujeros negros.

También esa simple ecuación que, se está convirtiendo en uno de los mayores logros de la Humanidad, por su sencillez y simpleza en contraposición con su profundidad y complejidad en cuanto a los mensajes que encierra, como por ejemplo, el hecho de que dichas ecuaciones de campo de la teoría de Einstein emerjan como por encanto desde las profundidades de la Teoría de cuerdas. Sin que nadie las llame, allí aparecen.

¿Qué tienen estas ecuaciones? ¿Qué mensajes nos envía? ¿Qué secretos encierra?

Con ellas nació una nueva cosmología.

emilio silvera

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                                                         Las moléculas vibran y se mueven

¡Parece que la materia está viva!

En lo más profundo de la materia, el movimiento es inevitable

Son muchas las cosas que desconocemos y, nuestra curiosidad nos empuja continuamente a buscar esas respuestas.

El electrón y el positrón son notables por sus pequeñas masas (sólo 1/1.836 de la del protón, el neutrón, el antiprotón o antineutrón), y, por lo tanto, han sido denominados leptones (de la voz griega lentos, que significa “delgado”).

Un electrón es una partícula subatómica de carga negativa. Puede ser libre (no conectado a un átomo, o conexionado al núcleo de un átomo.

Aunque el electrón fue descubierto en 1897 por el físico británico Josepth John Thomson (1856-1940), el problema de su estructura, si la hay, no está resuelto. Conocemos su masa y su carga negativa que responden a 9,1093897 (54)x10^-31 kg la primera y, 1,602 177 33 (49)x10^-19 culombios, la segunda, y también su radio clásico: no se ha descubierto aún ninguna partícula que sea menos masiva que el electrón (o positrón) y que lleve una carga eléctrica, sea lo que fuese (sabemos como actúa y cómo medir sus propiedades, pero aun no sabemos qué es), tenga asociada un mínimo de masa, y que esta es la que se muestra en el electrón.

                        El electrón está presente en infinidad de sucesos que no serían sin su presencia

Lo cierto es que, el electrón, es una maravilla en sí mismo. El Universo no sería como lo conocemos si el electrón (esa cosita “insignificante”), fuese distinto a como es, bastaría un cambio infinitesimal para que, por ejemplo, nosotros no pudiéramos estar aquí ahora.

¡No por pequeño, se es insignificante!

Recordémoslo, todo lo grande está hecho de cosas pequeñas.

En realidad, existen partículas que no tienen en absoluto asociada en ellas ninguna masa (es decir, ninguna masa en reposo). Por ejemplo, las ondas de luz y otras formas de radiación electromagnéticas se comportan como partículas (Einstein en su efecto fotoeléctrico y De Broglie en la difracción de electrones.

Esta manifestación en forma de partículas de lo que, de ordinario, concebimos como una onda se denomina fotón, de la palabra griega que significa “luz”.

Cuando la luz choca con la superficie de ciertos metales, se emiten electrones. Este fenómeno es el denominado Efecto Fotoeléctrico. Sus principales características son:

• la emisión de electrones solamente ocurre cuando la frecuencia de la luz incidente excede un valor umbral determinado (ν0). Cuando se cumple esta condición se puede observar que el número de electrones emitido depende de la intensidad de la radiación incidente.
• Las energías cinéticas de los electrones emitidos dependen de la frecuencia de la luz. Estas observaciones no podían explicarse mediante la teoría ondulatoria clásica.
• En 1905, Albert Einstein propuso que la radiación electromagnética tiene propiedades corpusculares y que las “partículas” de luz, denominadas Fotones, tienen una energía característica dada por la ecuación de Planck, E=hν.

El número de orientaciones del vector momento angular respecto a un eje Z fijo es 2S+1, tenemos para el caso del espín S=1/2 que la componente Z tiene dos valores permitidos .

El fotón tiene una masa de 1, una carga eléctrica de o, pero posee un espín de 1, por lo que es un bosón. ¿Cómo se puede definir lo que es el espín? Los fotones toman parte en las reacciones nucleares, pero el espín total de las partículas implicadas antes y después de la reacción deben permanecer inmutadas (conservación del espín). La única forma que esto suceda en las reacciones nucleares que implican a los fotones radica en suponer que el fotón tiene un espín de 1. El fotón no se considera un leptón, puesto que este termino se reserva para la familia formada por el electrón, el muón y la partícula Tau con sus correspondientes neutrinos: V_e, V_u y V_T.

Existen  razones teóricas para suponer que, cuando las masas se aceleran (como cuando se mueven en órbitas elípticas en torno a otra masa o llevan a cabo un colapso gravitacional), emiten energía en forma de ondas gravitacionales. Esas ondas pueden así mismo poseer aspecto de partícula, por lo que toda partícula gravitacional recibe el nombre de gravitón.

La fuerza gravitatoria es mucho, mucho más débil que la fuerza electromagnética. Un protón y un electrón se atraen gravitacionalmente con sólo 1/10³⁹ de la fuerza en que se atraen electromagnéticamente. El gravitón (aún sin descubrir) debe poseer, correspondientemente, menos energía que el fotón y, por tanto, ha de ser inimaginablemente difícil de detectar.

Aunque existen razones teóricas de peso de por qué debe existir el Gravitón, detectarlo podría ser físicamente imposible en la Tierra. De las otras tres fuerzas fundamentales sabemos cual es o son las partículas mediadoras que, de manera indiscutible, han sido localizadas. Sin embargo, el Gravitón, es esquivo y se resiste a dar la cara.

                          Freeman Dyson

Por ejemplo, no sería posible utilizar el modo convencional de medir fuerzas gravitacionales (haciendo rebotar luz en un conjunto de espejos para medir diminutos cambios en la separación de éstos) en el caso de los gravitones. Según el Físico  Freeman Dyson, la sensibilidad necesaria para detectar el cambio de distancia tan minúsculo causado por un gravitón haría necesario utilizar espejos tan masivos que se derrumbarían sobre sí mismo y formarían un agujero negro.

Debido a esto se ha afirmado, que es imposible medir un solo gravitón. Pero, ¿Y si se usa el objeto más grande conocido, el Universo, para buscar los efectos reveladores de los gravitones? Esto es lo que los físicos están proponiendo.

Joseph Weber diseñó el primer detector de ondas gravitacionales

De todos modos, el físico norteamericano Joseph Weber emprendió en 1957 la formidable tarea de detectar el gravitón. Llegó a emplear un par de cilindros de aluminio de 153 cm. De longitud y 66 de anchura, suspendidos de un cable en una cámara de vacío. Los gravitones (que serían detectados en forma de ondas), desplazarían levemente esos cilindros, y se empleó un sistema para detectar el desplazamiento que llegare a captar la cienmillonésima parte de un centímetro.

Las ondas han sido detectadas pero… ¡El esquivo Gravitón se resiste!

Las débiles ondas de los gravitones, que producen del espacio profundo, deberían chocar contra todo el planeta, y los cilindros separados por grandes distancias se verán afectados de forma simultánea. En 1.969, Weber anunció haber detectado los efectos de las ondas gravitatorias. Aquello produjo una enorme excitación, puesto que apoyaba una teoría particularmente importante (la teoría de Einstein de la relatividad general). Desgraciadamente, nunca se pudo comprobar mediante las pruebas realizadas por otros equipos de científicos que duplicaran el hallazgo de Weber.

Está claro que el hecho de que no seamos capaces de detectar al Gravitón, no quiere decir que no exista, simplemente nos dice que tenemos que dar con la manera de encontrarlo. Sabemos de los Bosones emisarios de las otras tres fuerzas: El Gluón para la nuclear fuerte, las W⁺ W^-  y Zº para la nuclear débil, el Fotón para el electromagnetismo, y, El Gravitón para la Fuerza de Gravedad (la más débil de todas).

emilio silvera

* Dualidad onda partícula en el comportamiento del electrón, por ejemplo. Volver

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Einstein fue muy afortunado, ya que, durante la última parte del siglo XIX, en Alemania e Italia matemáticos puros habían estado inmersos en el estudio profundo y detallado de todas las geometrías posibles sobre superficies curvas.  Habían desarrollado un lenguaje matemático que automáticamente tenía la propiedad de que toda la ecuación poseía una forma que se conservaba cuando las coordenadas que la describían se cambiaban de cualquier manera.  Este lenguaje se denominaba cálculo tensorial.  Tales cambios de coordenadas equivalen a preguntar qué tipo de ecuación vería alguien que se moviera de una manera diferente.

Einstein se quedó literalmente paralizado al leer la Conferencia de Riemann.  Allí, delante de sus propios ojos tenía lo que Riemann denominaba Tensor métrico.  Einstein se dio cuenta de que era exactamente lo que necesitaba para expresar de manera precisa y exacta sus ideas.  Así se pudo hacer posible la teoría de la relatividad general.

Einstein pudo expresar su principio de covariancia expresando sus leyes de la Naturaleza como ecuaciones tensoriales, que poseían automáticamente la misma forma para todos los observadores.

Este paso de Einstein completó un movimiento espectacular en la concepción física de la naturaleza que ha sido completado en el siglo XX.  Está marcado por una evolución que se aleja continuamente de cualquier visión privilegiada del mundo, sea una visión humana, basada en la Tierra, o una visión basada en patrones humanos, la naturaleza tiene sus propios patrones.

Está claro que pensar siquiera en que en nuestro Universo, dependiendo de la región en la que nos encontremos, habrá distintos leyes físicas, sería pensar en un Universo Chapuza.  Lo sensato es pensar como Einstein y creer que en cualquier parte del Universo rigen las mismas leyes físicas, hasta que no se encuentre pruebas reales a favor de lo contrario,  los científicos suponen con prudencia que, sea cual fueren las causas responsables de las pautas que llamamos “Leyes de la Naturaleza”, es mucho más inteligente adoptar la creencia de la igualdad física en cualquier parte de nuestro Universo por muy remota que se encuentre, los elementos primordiales que lo formaron fueron siempre los mismos.

a

Que interacciona con las cuatro fuerzas fundamentales naturales.

Ahora sabemos que las fuerzas de la naturaleza, la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil, el electromagnetismo y la Gravedad, no son tan diferentes como parece a primera vista.  Parecen tener intensidades muy diferentes y actuar sobre partículas elementales diferentes.  Pero eso es ilusorio, es la sensación y creada por nuestra necesidad de habitar en un lugar del Universo donde la temperatura es más bien baja y, es así, como se manifiestan las fuerzas de la naturaleza que, en dicha temperatura permite la existencia de átomos y moléculas.

Conforme la temperatura aumenta y las partículas elementales de materia colisionan entre sí a energías cada vez más altas, las fuerzas separadas que gobiernan nuestro mundo de baja temperatura, se hacen más parecidas.  La fuerza fuerte se debilita, la fuerza débil aumenta y fortalecen.  Aparecen nuevas partículas a medida que se alcanzan temperaturas más elevadas y consiguen producir interacciones entre las familias separadas de partículas que a temperaturas bajas, parecen estar aisladas entre sí.  Poco a poco, a medida que nos acercamos a esas inimaginables condiciones de temperatura “última” que Max Planck encontró definida por las cuatro constantes de la naturaleza, G,K,c,h, esperamos que las diferencias entre las fuerzas naturales se vayan borrando completamente para finalmente quedar unificadas en una única fuerza, como por otra parte se cree que fue al principio de todo, cuándo el Big Bang, el proceso ocurrió al contrario.  Había una increíble temperatura, un plasma primordial lo invadía todo y se expansionaba, naciendo el tiempo y el espacio cuando reinaba la simetría total y una sola fuerza lo regía todo.

El Universo continuó su expansión y comenzó a enfriarse, la simetría se rompió y lo que era una sola fuerza se dividió en las cuatro que ahora conocemos, previamente, a partir del plasma, al bajar la temperatura, surgieron los quarks que se juntaron para formar protones y neutrones que, a su vez, se juntaron para formar núcleos que, al ser rodeados por los electrones atraídos por la carga positiva de los núcleos, formaron los átomos que, se unieron para formar moléculas que, se juntaron para formar la materia que, más tarde, dieron lugar al nacimiento de las primeras estrellas y Galaxias con sus variedades de objetos estelares, planetas, satélites, cometas, meteoritos, etc.

Todo lo grande está hecho de muchas cosas pequeñas.

Al final de la página 11 y siguientes de este trabajo, explicaba algunos detalles de alfa (a) y del número 137.  En la literatura científica podemos encontrar todo tipo de coincidencias numéricas que involucran a los valores de las constantes de la naturaleza.

El valor experimental de la constante de estructura fina es:

1/a=137,085989561…..

Pero muchos intentaron dar su versión de alfa o 137 número puro.

• Lewis y Adams
• Eddington
• Wiler
• Aspden y Eagles
• Robertson
• Burger

Ni siquiera Heisemberg (el padre del principio de Incertidumbre de la Mecánica Cuántica) se pudo resistir.

De entre todos los que intentaron descubrir los misterios del 137, me detendré un momento en Arthur Eddington, uno de los más grandes astrofísicos del siglo XX, combinación de lo más profundo y lo fantástico.  Más que cualquier otra figura moderna, es el responsable de poner en marcha los inacabables intentos de explicar las constantes de la naturaleza por proezas de numerología pura.  Él también advirtió un aspecto nuevo y espectacular de las constantes de la Naturaleza.

Cuando los físicos empezaron a apreciar el papel de las constantes en el dominio cuántico y explotar la nueva teoría de la Gravedad de Einstein para describir el Universo en conjunto, las circunstancias eran las adecuadas para que alguien tratara de casarlas.

Así entró en escena Arthur Stanley Eddington: un extraordinario científico que había sido el primero en descubrir cómo se alimentaban las estrellas a partir de reacciones nucleares.  También  hizo importantes contribuciones nuestra comprensión de las galaxias, escribió la primera exposición sistemática de la teoría de la relatividad general de Einstein y fue el responsable de la expedición que durante un eclipse de Sol, pudo confirmar con certeza la predicción de la relatividad general que debería desviar la luz estelar que venía hacia la Tierra en aproximadamente 1,75 segundos de arco cuando pasaba cerca de la superficie solar, cuyo espacio estaría curvado debido a la gravedad generada por la masa del Sol.

En aquella expedición, el equipo de Eddington hizo una exitosa medición del fenómeno desde la isla Príncipe que, confirmó que Einstein tenía razón y que su teoría predecía de manera exacta la medida de curvatura del espacio en función de la masa del objeto estelar que genera la gravitación distorsionando el espaciotiempo a su alrededor.

Entre los números que Eddington consideraba de importancia primordial estaba al que ahora conocemos número de Eddington, que es igual al número de protones en el Universo visible.  Eddingtón calculó (a mano) este número con enorme precisión en un crucero trasatlántico, concluyendo con esta memorable afirmación:

“Creo que en el Universo hay 15.747.724.136.275.002.577.605.653.961.181.555.468.044.717.
.914.527.116.709.366.231.425.076.185.631.031.296 protones y el mismo número de electrones“.

Este número enorme, normalmente escrito N_Îdd, es aproximadamente igual a 10⁸⁰.  Lo que atrajo la atención de Eddington hacia él era el hecho de que debe ser un número entero, y por eso en principio puede ser calculado exactamente.

Durante la década de 1920, cuando Eddington empezó su búsqueda para explicar las constantes de la Naturaleza, no se conocían bien las fuerzas débil y fuerte de la Naturaleza, las únicas constantes dimensionales de la física que sí se conocían e interpretaban con confianza eran las que definían la gravedad y las fuerzas electromagnéticas.  Eddington las dispuso en tres puros números adimensionales.  Utilizando los valores experimentales de la época, tomó la razón entre las masas del protón y del electrón:

La inversa de la constante de estructura fina

Y la razón entre la fuerza gravitatoria y la fuerza electromagnética entre un electrón y un protón

A éstas añadió su número cosmológico, N_Îdd ≈ 10⁸⁰.  A estos cuatro números los llamó “las constantes últimas”, y la explicación de sus valores era el mayor desafío de la ciencia teórica:

“¿Son estas cuatro constantes irreducibles, o una unificación posterior de la física que pueda demostrar que una o todas ellas podrían ser prescindibles? ¿Podrían haber sido diferentes de lo que realmente son?…  Surge la pregunta de si las razones anteriores pueden ser asignadas arbitrariamente o si son inevitables.  En el primer caso, sólo podemos aprender sus valores por medida; en el segundo caso es posible encontrarlos por la teoría…  Creo que ahora domina ampliamente la opinión de que las (cuatro anteriores) constantes… no son arbitrarias, sino que finalmente se les encontrará una explicación teórica; aunque también he aido expresar lo contrario.”

Siguiendo con su especulación Eddington pensaba que el número de constantes inexplicadas era un indicio útil del hueco que había que cerrar antes de que se descubriese una teoría verdaderamente unificada de todas las fuerzas de la naturaleza.  En cuanto a si esta teoría final contenía una constante o ninguna, tendríamos que esperar y ver:

“Nuestro conocimiento actual de 4 constantes en lugar de 1 indica meramente la cantidad de unificación de teoría que aún queda por conseguir.  Quizá resulte que la constante que permanezca no sea arbitraria, pero de eso no tengo conocimiento.”

Eddington, como MaxPlanck, Einstein y Galileo y Newton antes que ellos, era simplemente un adelantado a su tiempo, comprendía y veía cosas que sus coetáneos no podían percibir.

Hay una anécdota que se cuenta sobre esto y que ilustra la dificultad de muchos para reconciliar el trabajo de Eddington sobre las constantes fundamentales con sus monumentales contribuciones a la relatividad general y la astrofísica.  La historia la contaba Sam Goudsmit referente a él mismo y al físico holandés Kramers:

“El gran Arthur Eddington dio una conferencia sobre su derivación de la constante de estructura fina a partir de una teoría fundamental.  Goudsmit y Cramers estaban entre la audiencia.  Goudsmit entendió poco pero reconoció que era un absurdo inverosímil.  Kramers entendió mucho y reconoció que era un completo absurdo.  Tras la discusión, Goudsmit se acercó a su viejo amigo y mentor Kramers y le preguntó:  ¿Todos los físicos se vuelven locos cuando se hacen mayores? Tengo miedo.  Kramers respondió, “No Sam, no tienes que asustarte.  Un genio como Eddington quizá puede volverse loco pero un tipo como tú solo se hace cada vez más tonto”.

La historia es la ciencia de las cosas que no se repiten.

Paul Valéry

El mayor misterio que rodea a los valores de las constantes de la naturaleza es sin duda la ubicuidad de algunos números enormes que aparecen en una variedad de consideraciones aparentemente inconexas.  El número de Eddington es un ejemplo notable.  El número total de protones que hay dentro del alcance del Universo observable esta próximo al número.

10⁸⁰

Si preguntamos ahora por la razón entre las intensidades de las fuerzas electromagnéticas y gravitatoria entre dos protones, la respuesta no depende de su separación, sino que es aproximadamente igual a

10⁴⁰

En un misterio.  Es bastante habitual que los números puros que incluyen las constantes de la Naturaleza difieran de 1 en un factor del orden de 10², ¡pero 10⁴⁰, y su cuadrado 10⁸⁰, es rarísimo! Y esto n es todo.  Si seguimos a Max Planck y calculamos en valor estimado para la “acción” del Universo observable en unidades fundamentales de Planck para la acción, obtenemos.

10¹²⁰

Ya hemos visto que Eddington se inclinaba a relacionar el número de partículas del Universo obsérvale con alguna cantidad que incluyera la constante cosmológica.  Esta cantidad ha tenido una historia muy tranquila desde esa época, reemergiendo ocasionalmente cuando los cosmólogos teóricos necesitan encontrar una manera de acomodar nuevas observaciones incómodas.  Recientemente se ha repetido este escenario. Nuevas observaciones de alcance y precisión sin precedentes, posibilitadas por el telescopio espacial Hubble trabajando en cooperación con telescopios sensibles en tierra, han detectado supernovas en galaxias muy lejanas.  Su pauta de brillo y atenuación característica permite deducir su distancia a partir de su brillo aparente.  Y, sorprendentemente, resulta que están alejándose de nosotros mucho más rápido de lo que cualquiera esperaba.  La expansión del Universo ha pasado de ser un estado de deceleración a uno de aceleración.  Estas observaciones implican la existencia de una constante cosmológica positiva (۸⁺).  Si expresamos su valor numérico como número pero adimensional medido en unidades del cuadrado de la longitud de Planck, entonces obtenemos un número muy próximo a

10^-120

Nunca se ha encontrado un número más pequeño en una investigación física real.

¿Qué vamos a hacer con todos estos grandes números? ¿Hay algo cósmicamente significativo en 10⁴⁰ y sus cuadrados y cubos?

La aparición de algunos de estos grandes números ha sido una fuente de sorpresas desde que fue advertida por vez primera por Hermann Weyl en 1.919.  Eddington había tratado de construir una teoría que hiciera comprensible su aparición, pero no logró convencer a un número significativo de cosmólogos de que estaba en la vía correcta.  Pero si convenció a la gente de que había algo que necesitaba explicación.  De forma inesperada, fue precisamente uno de sus famosos vecinos de Cambridge quien escribió a la revista Nature la carta que consiguió  avivar el interés por el problema con una idea que sigue siendo una posibilidad viable incluso hoy.

Paul Dirac ocupó la cátedra lucaciana de matemáticas en Cambridge durante parte del tiempo en que Eddington estuvo viviendo en los Observatorios.  Las historias que se cuentan de Paul Dirac dejan muy claro que era un tipo con un carácter peculiar y, ejercía de matemático los 24 h. del día.  Se pudo saber que su inesperada incursión en los Grandes Números fue escrita durante su viaje de novios (Luna de miel), en febrero de 1.937.

Aunque no muy convencido de las explicaciones de Eddington, escribió que era muy poco probable que números adimensionales muy grandes, que toman valores como 10⁴⁰ y 10⁸⁰, sean accidentes independientes y no relacionados: debe existir alguna fórmula matemática no descubierta que liga las cantidades implicadas.  Deben ser consecuencias más que coincidencias.

Esta es la hipótesis de los grandes Números según Dirac:

Dos cualesquiera de los números adimensionales muy grandes que ocurren en la Naturaleza están conectados por una sencilla relación matemática, en la que los coeficientes son del orden de la unidad.

Los grandes números de que se valía Dirac para formular esta atrevida hipótesis salían del trabajo de Eddington y eran tres:

N₁= (tamaño del Universo observable)/ (radio del electrón)

N_{2 =} Razón fuerza electromagnética-a-gravitatoria entre protón y electrón

N = número de protones en el Universo observable

Aquí t es la edad actual del Universo, me es la masa de un electrón M_p2 es la masa de un protón, G la constante de gravitación, c la velocidad de la luz y e la carga del electrón.

(Se han omitido las fórmulas que el público no versado  rechaza)

emilio silvera

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En los intentos más recientes de crear una teoría nueva para describir la Naturaleza cuántica de la gravedad ha emergido un nuevo significado para las unidades naturales de Planck.  Parece que el concepto al que llamamos “información” tiene un profundo significado en el Universo.  Estamos habituados a vivir en lo que llamamos “la edad de la información”.  La información puede ser empaquetada en formas electrónicas, enviadas rápidamente y recibidas con más facilidad que nunca antes.  Nuestra evolución en el proceso rápido y barato de la información se suele mostrar en una forma que nos permite comprobar la predicción de Gordon Moore, el fundador de Intel, llamada ley de Moore, en la que, en 1965, advirtió que el área de un transistor se dividía por dos aproximadamente cada 12 meses.  En 1975 revisó su tiempo de reducción a la mitad hasta situarlo en 24 meses.  Esta es “la ley de Moore” cada 24 meses se obtiene una circuiteria de ordenador aproximadamente el doble, que corre a velocidad doble, por el mismo precio, ya que, el coste integrado del circuito viene a ser el mismo, constante.

Los límites últimos que podemos esperar para el almacenamiento y los ritmos de procesamiento de la información están impuestos por las constantes de la naturaleza.  En 1.981, el físico israelí,  Jacob Bekenstein, hizo una predicción inusual que estaba inspirada en su estudio de los agujeros negros.  Calculó que hay una cantidad máxima de información que puede almacenarse dentro de cualquier volumen.  Esto no debería sorprendernos.  Lo que debería hacerlo es que el valor máximo está precisamente determinado por el área de la superficie que rodea al volumen, y no por el propio volumen.

El número máximo de bits de información que pese almacenarse en un volumen viene dado precisamente por el cómputo de su área superficial en unidades de planck. Supongamos que la región es esférica.  Entonces su área superficial es precisamente proporcional al cuadrado de su radio, mientras que el área de Planck es proporcional a la longitud de Planck al cuadrado.  Esto es muchísimo mayor que cualquier capacidad de almacenamiento de información producida hasta ahora.  Asimismo, hay un límite último sobre el ritmo de procesamiento de información que viene impuesto por las constantes de la naturaleza.

No debemos descartar la posibilidad de que, seamos capaces de utilizar las unidades de Planck-Stoney para clasificar todo el abanico de estructuras que vemos en el Universo, desde el mundo de las partículas elementales hasta las más grandes estructuras astronómicas.  Este fenómeno se puede representar en un gráfico que se cree la escala logarítmica de tamaño desde el átomo a las galaxias.  Todas las estructuras del Universo existen porque son el equilibrio de fuerzas dispares y competidoras que se detienen o compensan las unas a las otras, la  atracción (Expansión) y la repulsión (contracción).  Ese es el equilibrio de las estrellas donde la repulsión termonuclear tiende a expandirla y la atracción (contracción) de su propia masa tiende a comprimirla, así, el resultado es la estabilidad de la estrella.

En el caso del planeta Tierra, hay un equilibrio entre la fuerza atractiva de la gravedad y la repulsión atómica que aparece cuando los átomos se comprimen demasiado juntos.  Todos estos equilibrios pueden expresarse aproximadamente en términos de dos números puros creados a partir de las constantes e,h,c,G y protón.

• e de electrón
• h de constante de Planck
• c de la velocidad de la luz
• G de la constante gravitacional

La identificación de constantes adimensionales de la naturaleza como a (alfa) y a_G, junto con los números que desempeñan el mismo papel definitorio para las fuerzas débil y fuerte de la naturaleza, nos anima a pensar por un momento en mundos diferentes del nuestro.  Estos otros mundos pueden estar definidos por leyes de la naturaleza iguales a las que gobiernan el Universo tal como lo conocemos, pero estarán caracterizados por diferentes valores de constantes adimensionales.  Estos cambios numéricos alterarán toda la fábrica de los mundos imaginarios.  Los átomos pueden tener propiedades diferentes.  La gravedad puede tener un papel en el mundo a pequeña escala.  La naturaleza cuántica de la realidad puede intervenir en lugares insospechados.

Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la Naturaleza (así lo creían Einstein y Planck).  Si se duplica el valor de todas las masas, no se puede llegar a saber porque todos los números puros definidos por las razones de cualquier par de masas son invariables.

Cuando surgen comentarios de números puros y adimensionales, de manera automática aparece en mi mente el número 137.  Ese número encierra más de lo que estamos preparados para comprender, me hace pensar y mi imaginación se desboca en múltiples ideas y teorías.  Einstein era un campeón en esta clase de ejercicios mentales que él llamaba “libre invención de la mente”.  El gran físico creía que no podríamos llegar a las verdades de la naturaleza solo por la observación y la experimentación.  Necesitamos crear conceptos, teorías y postulados de nuestra propia imaginación que posteriormente deben ser explorados para averiguar si existe algo de verdad en ellos.

Para poner un ejemplo de nuestra ignorancia poco tendríamos que buscar, tenemos a mano miles de millones.

Me acuerdo de León Lederman (premio Nóbel de Física) que decía:

“Todos los físicos del mundo, deberían tener un letrero en el lugar más visible de sus casas, para que al mirarlo, les recordara lo que no saben.  En el cartel solo pondría esto: 137.  Ciento treinta y siete es el inverso de algo que lleva el nombre de constante de estructura fina”

Este número guarda relación con la posibilidad de que un electrón emita un fotón o lo absorba.  La constante de estructura fina responde también al nombre de “alfa” y sale de dividir el cuadrado de la carga del electrón, por el producto de la velocidad de la luz y la constante de Planck*.  Tanta palabrería y numerología no significa otra cosa sino que ese sólo numero, 137, encierra los misterios del Electromagnetismo (el electrón, e^-), la relatividad (la velocidad de la luz, c), y, la teoría cuántica (la constante de Planck, h).

Lo más notable de éste número es su dimensionalidad.  La velocidad de la luz, c, es bien conocida y su valor es de 299.792.458 m/segundo, la constante de Planck racionalizada, h, es (cantidad) Julios segundo, la altura de mi hijo, el peso de mi amigo, etc., todo viene con sus dimensiones.  Pero resulta que cuando uno combina las magnitudes que componen alfa ¡se borran todas las unidades! El 137 está sólo: se escribe desnudo a donde va.  Esto quiere decir que los científicos del undécimo planeta de una estrella lejana situada en un sistema solar de la Galaxia Andrómeda, aunque utilicen Dios sabe qué unidades para la carga del electrón y la velocidad de la luz y que versión utilicen para la constante de Planck, también les saldrá el 137.  Es un número puro.  No lo inventaron los hombres.  Está en la naturaleza, es una de sus constantes naturales, sin dimensiones.

La física se ha devanado los sesos con el 137 durante décadas.  Werner Heisember (el que nos regaló el Principio de Incertidumbre en la Mecánica Cuántica), proclamó una vez que, todas las fuentes de perplejidad que existen en la mecánica cuántica se secarían si alguien explicara de una vez el 137.

¿Por qué Alfa es igual a 1 partido por 137?

Esperemos que algún día aparezca alguien que, con la intuición, el talento y el ingenio de Galileo, Newton o Einstein, nos pueda por fin aclarar el misterioso número y las verdades que encierra.  Menos perturbador sería que la relación de todos estos importantes conceptos (e,h y c) hubieran resultado ser 1 o 3 o un múltiplo de pí.  Pero ¿137?

Arnold Sommerfeld, percibió que la velocidad de los electrones en el átomo de hidrógeno es una fracción considerable de la velocidad de la luz, así que había que tratarlos conforme a la teoría de la relatividad, vio que donde la teoría de Boh^r predecía una órbita, la nueva teoría predecía dos muy próximas.

Esto explica el desdoblamiento de las líneas. Al efectuar sus cálculos, Sommerfeld introdujo una “nueva abreviatura” de algunas constantes.  Se trataba de (fórmula), que abrevió con la letra griega alfa (a).  No prestad atención a la ecuación.  Lo interesante es esto:  cuando se meten los números conocidos de la carga del electrón, e^-, la constante de Planck, h, y la velocidad de la luz, c, sale (Fórmula).  Otra vez 137 número puro.

Las constantes fundamentales (constantes universales) están referidas a los parámetros que no cambian a lo largo del Universo.  La carga de un electrón, la velocidad de la luz en el espacio vacío, la constante de Planck, la constante gravitacional, la constante eléctrica y magnética se piensa que son todos ejemplos de constantes fundamentales.

Las fuerzas de la naturaleza que gobiernan la electricidad, el magnetismo, la radiactividad y las reacciones nucleares están confinadas a un “mundobrana” tridimensional, mientras que la Gravedad actúa en todas las dimensiones y es consecuentemente más débil

Unas pueden ser más constantes naturales que otras, pero lo cierto es que, de momento, han servido como herramientas eficaces.

La última lección importante que aprendemos de la manera en  que números puros como µ (alfa) definen el mundo es el verdadero significado de que los mundos sean diferentes.  El número puro que llamamos constante de estructura fina, e indicamos con µ, es como hemos dicho antes, una combinación de e, c y h (el electrón, la velocidad de la luz y la constante de Planck).  Inicialmente podríamos estar tentados a pensar que un mundo en el que la velocidad de la luz fuera más lenta sería un mundo diferente.  Pero sería un error.  Si e, h y c cambian de modo que sus valores que tienen en unidades métricas (o cualesquiera otras) fueran diferentes cuando las buscamos en nuestras tablas de constantes físicas pero el valor de µ permaneciera igual, este nuevo mundo sería observacionalmente indistinguible de nuestro mundo.   Lo único que cuenta en la definición del mundo son los valores de las constantes adimensionales de la Naturaleza.

Fue Einstein el que anunció lo que se llamó principio de covariancia: que las leyes de la naturaleza deberían expresarse en una forma que pareciera la misma para todos los observadores, independientemente de dónde estuvieran situados y de cómo se estuvieran moviendo.  Cuando trató de desarrollar este principio, Einstein tuvo dificultades, no encontraba la manera de expresarlo con la formulación matemática adecuada.  Pidió ayuda a su amigo Marcel Grossmann, matemático, quien sabiendo de las necesidades exactas de Einstein, le envió la copia de una conferencia que dio un tal Riemann, unos sesenta años antes.

emilio silvera

* 21. a=2pe^e/hc=1/137 Volver

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En su charla de la Reunión de Belfast, Stoney se refirió al electrón como el “electrino” y dio el primer cálculo de su valor esperado.  Demostró que el trío mágico de G, c y e podía combinarse de una manera, y sólo de una, de modo que a partir de ellas se creaban una unidad de masa, una unidad de longitud y una unidad de tiempo.   Para la velocidad de la luz utilizó un promedio de las medidas existentes, metros por segundo; para la constante de gravitación de Newton utilizó el valor obtenido por John Herschel, Fórmula, y para la unidad de carga del “electrino” utilizó amperios.  Estas fueron las inusuales nuevas unidades que él encontró, en términos de las constantes e, c y G, y en términos de gramo, metros y segundos:

Se anulan todas las fórmulas.

Estas son cantidades extraordinarias.  Aunque una masa de 10^-7 gramos no es demasiado espectacular – es similar a la de una mota de polvo las unidades de longitud y tiempo de Stoney eran muy diferentes de cualquiera que hubieran encontrado antes los científicos.  Eran fantásticamente pequeñas, rozando lo inconcebible.  No había (y sigue sin haber) ninguna posibilidad de medir directamente tales longitudes y tiempos.  En cierto modo, esto es lo que se podría haber esperado.  Estas unidades no están construidas deliberadamente a partir de dimensiones humanas, por conveniencia humana o para utilidad humana.  Están definidas por la propia fábrica de la realidad física que determina la naturaleza de la luz, la electricidad y la Gravedad.  No se preocupan de nosotros.  Stoney triunfó de un modo brillante en su búsqueda de un sistema de unidades sobrehumanas.

“La ciencia no puede resolver el misterio final de la Naturaleza.  Y esto se debe a que, en el último análisis, nosotros somos parte del misterio que estamos tratando de resolver.”

Max Planck

Las Unidades naturales de Max Planck

La idea de Stoney fue descubierta en una forma diferente por el físico alemán Max Planck en 1.899, un año antes de que expusiera al mundo su teoría del “cuanto de acción” h.Planck es uno de los físicos más importantes de todos los tiempos.  Como antes he apuntado, descubrió la naturaleza cuántica la energía que puso en marcha la revolución cuántica de nuestra comprensión del mundo, ofreció la primera descripción correcta de la radiación térmica (“espectro de Planck”) y una de las constantes fundamentales de la naturaleza lleva su nombre.

Ganador del premio Nobel de Física de 1.918, también fue, en el primer momento, el único que comprendió la importancia que, para la física y para el mundo, tendría el artículo del joven Einstein, en 1.905, sobre la teoría de la relatividad Especial.  Hombre tranquilo y modesto que fue profundamente admirado por sus contemporáneos más jóvenes, como el mismo Einstein y Bohr.

La concepción que tenía Planck de la naturaleza ponía mucho énfasis en su racionalidad intrínseca y en su independencia del pensamiento humano.  Había que encontrar esas estructuras profundas que estaban lejos de las necesidades de la utilidad y conveniencia humanas pero que, en realidad, estaban ahí ocultas en lo más profundo de los secretos naturales y eran las responsables de que nuestro mundo, nuestro Universo, fuese tal como lo conocemos.

En el último año de su vida un antiguo alumno le preguntó si creía que buscar la forma de unir todas las constantes de la naturaleza mediante alguna teoría más profunda era atractivo.  Se contestó con el entusiasmo templado por el realismo y experiencia conociendo cuantas dificultades entrañaba tal empresa.

“Su pregunta sobre la posibilidad de unificar todas las constantes universales de la naturaleza, es sin duda una idea atractiva.  Por mi parte, sin embargo, tengo dudas de que se logre con éxito.  Pero puedo estar equivocado”

A diferencia de Einstein, Planck no creía que se pudiera alcanzar realmente una teoría globalizadota que explicara todas las constantes de la naturaleza.

Mientras que Stoney había visto en la elección de unidades prácticas una manera de cortar el nudo gordiano de la subjetividad, Planck utilizaba sus unidades especiales para sustentar una base no antropomórfica para la física  y “que, por consiguiente, podría describirse como “unidades naturales”

De acuerdo con su perspectiva universal, en 1.899 Planck propuso que se construyeran unidades naturales de masa, longitud y tiempo a partir de las constantes más fundamentales de la Naturaleza: La constante de gravitación G, la velocidad de la luz c y la constante de acción h, que ahora lleva el nombre de Planck.  La constante de Planck determina la mínima unidad de cambio posible en que pueda alterarse la energía, y que llamó “cuanto”.  Las unidades de Planck son las únicas combinaciones de dichas constantes que pueden formarse en dimensiones de masa, longitud, tiempo y temperatura.  Sus valores no difieren mucho de los de Stoney:

Estas formulaciones con la masa, la longitud, el tiempo y la temperatura de Planck incorporan la G (constante de gravitación), la h (la constante de Planck) y la c, la velocidad de la luz.  La de la temperatura, incorpora además, la k de los grados Kelvin.

La constante de Planck racionalizada (la más utilizada por los físicos), se representa por ћ que es igual a h/2π que vale del orden de 1’054589×10^-34 Julios segundo.

En las unidades de Planck (del recuadro en rojo), una vez más, vemos un contraste entre la pequeña, pero no escandalosamente reducida unidad natural de la masa y las unidades naturales fantásticamente extremas del tiempo, longitud y temperatura.  Estas cantidades tenían una significación sobrehumana para Planck. Entraban en La Base de la realidad física:

“Estas cantidades conservarán su significado natural mientras la Ley de Gravitación y la de Propagación de la luz en el vacío y los dos principios de la termodinámica sigan siendo válidos; por lo tanto, siempre deben encontrarse iguales cuando sean medidas por las inteligencias más diversas con los métodos más diversos.”

En sus palabras finales alude a la idea de observadores en otro lugar del Universo que definen y entienden estas cantidades de la misma manera que nosotros.

De entrada había algo muy sorprendente en las unidades de Planck, como lo había también en las de Stoney.  Entrelazaban la Gravedad con las constantes que gobierna la electricidad y el magnetismo.

“La creciente distancia entre la imagen del mundo físico y el mundo de los sentidos no significa otra cosa que una aproximación progresiva al mundo real.”

Max Planck

Podemos ver que Max Planck apelaba a la existencia de constantes universales de la Naturaleza como prueba de una realidad física al margen y completamente diferentes de las mentes humanas.  Al respecto decía:

“Estos….   Números, las denominadas “constantes universales” son en cierto sentido los ladrillos inmutables del edificio de la física teórica.  Deberíamos preguntar:

¿Cuál es el significado real de estas constantes?”

Una de las paradojas de nuestro estudio del Universo circundante es que a medida que las descripciones de su funcionamiento se hacen más precisas y acertadas, también se alejan cada vez más de toda la experiencia humana.

“Lo que realmente me interesa es si Dios podría haber hecho del mundo una cosa diferente; es decir, si la necesidad de simplicidad lógica deja la más mínima libertad.”

Albert Einstein

Einstein hizo más que cualquier otro científico por crear la imagen moderna de las leyes de la Naturaleza.  Desempeñó un papel principal en la creación de la perspectiva correcta sobre el carácter atómico y cuántico del mundo material a pequeña escala, demostró que la velocidad de la luz introducía una relatividad en la visión del espacio de cada observador, y encontró por sí solo la teoría de la gravedad que sustituyó la imagen clásica creada por Isaac Newton más de dos siglos antes que él.  Su famosa fórmula de E=mc2, es una fórmula milagrosa, es lo que los físicos definen como la auténtica belleza.   Decir mucho con pocos signos y, desde luego, nunca ningún físico dijo tanto con tan poco.  En esa reducida expresión de Fórmula, está contenido uno de los mensajes de mayor calado del Universo: Masa y energía, son la misma cosa.

Einstein siempre estuvo fascinado por el hecho de que algunas cosas deben parecer siempre iguales, independientemente de cómo se mueva el que las ve, como la luz en el vacío, c.

Él nos dijo el límite con que podríamos recibir información en el Universo, la velocidad de c.

Él reveló todo el alcance de lo que Stoney y Planck simplemente habían supuesto: que la velocidad de la luz era una constante sobrehumana fundamental de la naturaleza.  También sabía el maestro que, en el proceso de nuevas teorías, la búsqueda de la  teoría final que incluyera a otras fuerzas de la naturaleza distintas de la gravedad, daría lugar a teorías nuevas y cada vez mejores que irían sustituyendo a las antiguas teorías.  De hecho, él mismo la buscó durante los 30 últimos años de su vida pero, desgraciadamente, sin éxito.   Ahora se ha llegado a la teoría de supercuerdas que sólo funciona en 10 y 26 dimensiones y es la teoría más prometedora para ser la candidata a esa teoría final de la que hablan los físicos.

El físico espera que las constantes de la naturaleza respondan en términos de números puros que pueda ser calculado con tanta precisión como uno quiera.  En ese sentido se lo expreso Einstein a su amiga Ilse Rosenthal-Schneider, interesada en la ciencia y muy amiga de Planck y Einstein en la juventud.

Lo que Einstein explicó a su amiga por cartas es que existen algunas constantes aparentes que son debidas a nuestro hábito de medir las cosas en unidades particulares.  La constante de Boltzmann es de este tipo.  Es sólo un factor de conversión entre unidades de energía y temperatura, parecido a los factores de conversión entre las escalas de temperatura Fahrenheit y centígrada.  Las verdaderas constantes tienen que ser números puros y no cantidades con “dimensiones”,  como una velocidad, una masa o una longitud.  Las cantidades con dimensiones siempre cambian sus valores numéricos si cambiamos las unidades en las que se expresan.

La interpretación de las unidades naturales de Stoney y Planck no era en absoluto obvia para los físicos.   Aparte de ocasionarles algunos quebraderos de cabeza al tener que pensar en tan reducidas unidades y, sólo a finales de la década de 1.960 el estudio renovado de la cosmología llevó a una plena comprensión de éstos patrones extraños.  Uno de los curiosos problemas de la Física es que tiene dos teorías hermosamente efectivas (la mecánica cuántica y la relatividad general)  pero gobiernan diferentes dominios de la naturaleza.

La Mecánica/cuántica domina en el micromundo de los átomos y de las partículas “elementales”.  Nos enseña que en la naturaleza cualquier masa, por sólida o puntual que pueda parecer, tiene un aspecto ondulatorio.  Esta onda no es como una onda de agua.  Se parece más a una ola delictiva o una ola de histeria: es una onda de información.  Nos indica la probabilidad de detectar una partícula.  La longitud de onda de una partícula, la longitud cuántica, se hace menor cuanto mayor es la masa de esa partícula.

Por el contrario, la relatividad general era siempre necesaria cuando se trataba con situaciones donde algo viaja a la velocidad de la luz, o está muy cerca o donde la gravedad es muy intensa.  Se utiliza para describir la expansión del Universo o el comportamiento en situaciones extremas,  como la formación de agujeros negros.  Sin embargo, la gravedad es muy débil comparada con las fuerzas que unen átomos y moléculas y demasiado débil para tener cualquier efecto sobre la estructura del átomo o de partículas subatómicas, se trata con masas tan insignificantes que, la incidencia gravitatoria es despreciable.  Todo lo contrario que ocurre en presencia de masas considerables como planetas, estrellas y Galaxias, donde la presencia de la Gravitación curva el espacio y distorsiona el tiempo.

Como resultado de éstas propiedades antagónicas, la teoría cuántica y la teoría relativista gobiernan reinos diferentes, muy dispares, en el Universo de lo muy pequeño o en el Universo de lo muy grande.  Nadie ha encontrado la manera de unir, sin fisuras, estas dos teorías en una sola y nueva de Gravedad-Cuántica.

¿Cuáles son los límites de la teoría cuántica y de la teoría de la relatividad general de Einstein? Afortunadamente, hay una respuesta simple y las unidades de Planck nos dicen cuál es.

Supongamos que tomamos toda la masa del Universo visible y determinamos su longitud de onda cuántica.  Podemos preguntarnos en qué momento ésta longitud de onda cuántica del Universo visible superará su tamaño.  La respuesta es: cuando el Universo sea más pequeño en tamaño que la longitud de Planck, es decir, 10^-33 centímetros, más joven que el tiempo de Planck,  10^-43 segundos y supere la temperatura de Planck de 10³² grados.  Las unidades de Planck marcan la frontera de aplicación de nuestras teorías actuales.  Para comprender en que se parece el mundo a una escala menor que la longitud de Planck tenemos que comprender plenamente cómo se entrelaza la incertidumbre cuántica con la gravedad.  Para entender lo que podría haber sucedido cerca del suceso que estamos tentados a llamar el principio del Universo, o el comienzo del tiempo, tenemos que penetrar la barrera de Planck.  Las constantes de la Naturaleza marcan las fronteras de nuestro conocimiento existente y nos dejan al descubierto los límites de nuestras teorías.

emilio silvera

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Constantes Universales

Está muy claro que, nuestro mundo es como es, debido a una serie de parámetros que, poco a poco, hemos ido identificando y hemos denominado Constantes de la naturaleza.  Esta colección de números misteriosos son los culpables, los responsables, de que nuestro Universo sea tal como lo conocemos que, a pesar de la concatenación de movimientos caóticamente impredecibles de los átomos y las moléculas, nuestra experiencia es la de un mundo estable y que posee una profunda consistencia y continuidad.

Sí, nosotros también hemos llegado a saber que con el paso del tiempo, aumenta la entropía y las cosas cambian.  Sin embargo, algunas cosas no cambian, continúan siempre igual, sin que nada les afecte.  Esas, precisamente, son las constantes de la naturaleza que, desde mediados del siglo XIX, comenzó a llamar la atención de físicos como George Johnstone Stoney (1826-1911, Irlanda).

                             Stoney identificó las unidades naturales de las cantidades físicas.

Parece, según todas las trazas, que el Universo, nuestro Universo, alberga la vida inteligente porque las constantes de la naturaleza son las que aquí están presentes, cualquier ligera variación en alguna de éstas constantes habría impedido que surgiera la vida en el planeta que habitamos. El Universo con las constantes ligeramente diferentes habría nacido muerto, no se hubieran formado las estrellas ni se habrían unido los quarks para construir nucleones (protones y neutrones) que formarán los núcleos que al ser rodeado por los electrones construyeron los átomos que se juntaron para formar las células que unidas dieron lugar a la materia.  Esos Universos con las constantes de la naturaleza distintas a las nuestras, estarían privados del potencial y de los elementos necesarios para desarrollar y sostener el tipo de complejidad organizada que nosotros llamamos vida.

El electrón tiene una carga eléctrica de −1,6 × 10−19 C y una masa de 9,1 × 10-31 kg , que es aproximadamente 1.800 veces menor que la masa del protón o a la del neutrón. El electrón es una partícula elemental (o al menos eso pensamos hoy en día), lo cual significa que no posee ningún tipo de subestructura.

La constante de gravitación universal (G) es una constante física obtenida de forma empírica, que determina la intensidad de la fuerza de atracción gravitatoria de los cuerpos.

La constante de Planck es una constante física que desempeña un papel central en la teoría de la mecánica cuántica y recibe su nombre de su descubridor, el físico y matemático alemán Max Planck, uno de los padres de la teoría cuántica. Se denota como h, y, se define como el cuanto de acción.

‎

“La constante de estructura fina de Sommerfeld (símbolo α) es la constante física fundamental que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética. Es una cantidad sin dimensiones, por lo que su valor numérico es independiente del sistema de unidades usado.”

La expresión que la define y el valor recomendado por CODATA 2002 es:

Nadie ha sabido responder a la pregunta de si las constantes de la naturaleza son realmente constantes o llegará un momento en que comience su transformación.  Hay que tener en cuenta que para nosotros, la escala del tiempo que podríamos considerar muy grande, en la escala de Tiempo del Universo podría ser ínfima.  El Universo, por lo que sabemos, tiene 13.500 millones de años.  Antes que nosotros, el reinado sobre el planeta correspondía a los Dinosaurios, amos y señores durante150 millones de años, hace ahora de ello 65 millones de años.  Mucho después, hace apenas 2 millones de años, aparecieron nuestros antepasados directos que, después de una serie de cambios evolutivos desembocó en lo que somos hoy.

Todo ello pudo suceder como consecuencia de que, 200 millones de años después del Big Bang se formaron las primeras estrellas que, a su vez, dieron lugar a las primeras galaxias.

El material primario del Universo fue el hidrógeno, el más sencillo y simple de los elementos que componen la tabla periódica.  Hoy día, 13.500 millones de años después, continúa siendo el material más abundante del Universo junto al Helio.

Para hacer posible el resurgir de la vida, hacían falta materiales mucho más complejos que el Hidrógeno, este era demasiado simple y había que fabricar otros materiales que, como el carbono, el hidrógeno pesado, el Nitrógeno, Oxigeno, etc., hicieran posible las combinaciones necesarias de materiales diferentes y complejos que, al ser bombardeados por radiación ultravioleta y rayos gammas provenientes del espacio, diera lugar a la primera célula orgánica que sería la semilla de la vida.

¿Quién, entonces, fabricó esos materiales complejos si en el Universo no había nadie?

Buena pregunta.  Para contestar tengo que exponer aquí algunas características de lo que es una estrella, de cómo se puede formar, como puede ser, y cuál será su destino final.  Veamos:

Lo que conocemos como estrella es una bola de gas luminosa que, durante una etapa de su vida, produce energía por a fusión nuclear del Hidrógeno en Helio.  El término estrella, por tanto, no solo incluye estrellas como el Sol, que están en la actualidad quemando hidrógeno, sino también protoestrellas, aún en formación y no lo suficientemente calientes como para que dicha combustión nuclear haya comenzado, y también varios tipos de objetos más evolucionados como estrellas gigantes y supergigantes, que están quemando otros combustibles nucleares, o las enanas blancas y las estrellas nucleares, que están formadas por combustible nuclear gastado.

Las estrellas se forman a partir de enormes nubes de gas y polvo que a veces tienen hasta años-luz de diámetro.  Las moléculas de polvo, unidas a las de los gases, se rozan y se ionizan, se calientan y, la nube comienzo a girar lentamente.  El enorme conglomerado, poco a poco se va juntando y la temperatura aumenta.  Tal enormidad de materia crea una fuerza gravitatoria que hace contraerse la nube sobre sí misma, su diámetro, y, su temperatura en el núcleo es tal que, se produce la fusión de los protones de Hidrógeno que se transforman en un material más complejo, el Helio, y ese es el momento en que nace la estrella que, a partir de ahí, puede estar miles de millones de años brillando y produciendo energía termonuclear.

¿CUÁL ES LA MASA MÁXIMA DE UNA ESTRELLA?

“En una noticia reciente, publicada en la página web de la ESO, se muestra la masa determinada de una estrella que supera el límite anterior (150 masas solares) por un factor de 2, usando una combinación de datos obtenidos en el observatorio Paranal y con el telescopio espacial Hubble. Se trata de la estrella R136a1 en el centro de la nebulosa “Tarántula” en la Gran Nube de Magallanes. Esto es muy interesante, porque hasta ahora se creyó que cualquier estrella mayor que 150 masas solares se desintegra por el efecto de la presión de radiación que supera a la gravedad. En realidad, también R136a1 está desintegrándose, teniendo ahora “sólo” 260 masas solares, después de una vida corta de 1,5 millones de años. Pero los autores calculan que reunió, cuándo nació, un total de 320 masas solares.”

Eta Carinae que tiene masa de entre 120 y 150 masas solares, Su propia radiación la hace expulsar material al Espacio Interestelar para no ser destruida por su propia radiación.

La masa máxima de las estrellas puede rondar las 120 masas solares, es decir, ser 120 veces mayor que nuestro Sol, y por encima de éste límite, sería destruida por la enorme potencia de su propia radiación.  La masa mínima para poder ser una estrella se fija en 0’08 masas solares; por debajo de ella, los objetos no serían lo suficientemente calientes en sus núcleos como para que comience la combustión del hidrógeno, y se convertirían en enanas marrones.  Las luminosidades de las estrellas varían desde alrededor de medio millón de veces la luminosidad del Sol para las más calientes hasta menos de la milésima de la del Sol para las enanas más débiles.  Aunque las estrellas más prominentes visibles a simple vista son más luminosas que el Sol, la mayoría de las estrellas son en realidad más débiles que éste y, por tanto, imperceptibles a simple vista.

EL BRILLO DE LAS ESTRELLAS

 

La astronomía tiene un problema: los objetos que se desean investigar no son directamente tangibles, como en el caso de los objetos en física, química o biología. Como resultado, la medición de estrellas no es tan fácil como determinar el peso de un cuerpo o el contenido de un líquido. Definitivamente, el brillo de una estrella suena, y en realidad es, mucho más complicado.

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• EL BRILLO DE LAS ESTRELLAS

La astronomía tiene un problema: los objetos que se desean investigar no son directamente tangibles, como en el caso de los objetos en física, química o biología. Como resultado, la medición de estrellas no es tan fácil como determinar el peso de un cuerpo o el contenido de un líquido. Definitivamente, el brillo de una estrella suena, y en realidad es, mucho más complicado.

La fotometría juega un papel importante. El brillo de una estrella está indicado por categorías de tamaño. Similar a un identificador de temperatura, hay un cero (0) con valores positivos y negativos. La unidad en la cual se miden esos números, se llama magnitud (mag o m).

EL BRILLO DE LAS ESTRELLAS

 

La astronomía tiene un problema: los objetos que se desean investigar no son directamente tangibles, como en el caso de los objetos en física, química o biología. Como resultado, la medición de estrellas no es tan fácil como determinar el peso de un cuerpo o el contenido de un líquido. Definitivamente, el brillo de una estrella suena, y en realidad es, mucho más complicado.

La fotometría juega un papel importante. El brillo de una estrella está indicado por categorías de tamaño. Similar a un identificador de temperatura, hay un cero (0) con valores positivos y negativos. La unidad en la cual se miden esos números, se llama magnitud (mag o m).

 

 

Cuando observamos el cielo por la noche, el brillo de las estrellas no es el mismo. Lo que vemos es su brillo aparente.

 

Como he dicho antes, el brillo de las estrellas (la luz y el calor) es el resultado de la conversión de masa en energía (E=mc2) por medio de reacciones nucleares, las enormes temperaturas de millones de grados de su núcleo, hace posible que los protones de los átomos del Hidrógeno se fusionen y se conviertan en átomos de helio.  Por cada kilogramo de hidrógeno quemado de esta manera, se convierten en energía aproximadamente siete gramos de masa.

De acuerdo con la famosa ecuación de Einstein (E = mc² ) se produce la conversión de masa en energía.  Las reacciones nucleares no solo aportan la luz y el calor de las estrellas, sino que también producen elementos pesados, más complejos que el hidrógeno y el helio que, posteriormente, son  distribuidos por el Universo, cuando al final de la estrella, esta explota en súper NOVA, lanzando sus capas exteriores al espacio que de esta forma, deja “sembrado” de estos materiales el “vació” estelar.

Las estrellas pueden clasificarse de muchas maneras.  Una manera es mediante su etapa evolutiva: en presecuencia  principal, secuencia principal*,  gigante, supergigante, enana blanca, estrella de neutrones y Agujeros negros.  Estas últimas son la consecuencia del final de sus vidas como tales estrellas, convirtiéndose en objetos estelares de una u otra clase en función de sus masas originales.  Estrellas como nuestro Sol, al agotar el combustible nuclear se transforman en gigantes rojas, explotan en Novas y finalmente quedan como enanas blancas.  Si la masa es mayor serán estrellas de neutrones, y, si aún son mayores, su final está en Agujeros Negros.

Otra clasificación es a partir de sus espectros, que indican su temperatura superficial.  Otra manera es en Poblaciones I, II y III, que engloban estrellas con abundancias progresivamente menores de elementos pesados, indicando paulatinamente una mayor edad.  También evolución estelar y magnitudes aparentes y absolutas y el tipo espectral con la distancia en a.L., es otra de las clasificaciones.

Después de estas clasificaciones genéricas tenemos otras mas particulares y definidas referidas a estrellas binarias, estrellas capullo, con baja velocidad, con envoltura, con exceso de ultravioleta, de alta velocidad, de baja luminosidad, de baja masa, de bario, de bariones, de campo, de carbono, de circonio, de estroncio, de helio, estrella de la población I extrema, de la población intermedia, de la rama gigante asintótica, estrella de litio, de manganeso, de manganeso-mercurio y, viceversa, estrella de metales pesados, de neutrones*, estrellas de quarks (Hipotética con densidad intermedia entre la estrella de neutrones y el agujero negro), estrella de referencia, de silicio, de tecnecio, de tiempo intermedio, de tipo tardío, de tipo temprano, estrella del polo, estrella doble, estrella enana, estándar, evolucionada,  etc.

La variedad de estrellas es grande y para los estudiosos fascinantes.  Tal diversidad es debida a la evolución que desde su formación tiene cada tipo de estrella en función de su masa y de los gases y polvo cósmico que la forman y los que se crean en su núcleo (horno solar) a miles y millones de grados de temperatura capaces de transformar materiales simples como el hidrógeno hacia una gama más compleja y pesada que, finalmente, mediante la explosión de supernova (más temperatura), arroja al espacio materiales que, a su vez, forman nuevas estrellas de 2ª y 3ª generación con materiales complejos.  La vida es nuestro planeta, pudo surgir gracias a que en la Tierra había abundancia de estos materiales creados en las estrellas, podemos decir, sin temor a equivocarnos que, nosotros mismos estamos hecho del material creado en las estrellas lejanas que, posiblemente, hace miles de millones de años explotó en súper-novas a millones de a.l de nuestro Sistema Solar.

Pero retomando el tema central de éste primer capítulo, las constantes fundamentales de la naturaleza, tenemos que decir que, precisamente, éstas constantes son las culpables, o mejor, tienen el mérito de que las estrellas brillen en las Galaxias y de que nosotros estemos aquí para mirar a los cielos y contemplar su belleza.

Al principio, mencioné a George J. Stoney, el físico irlandés y pensador excéntrico y original al que, en realidad, debemos la forma de deducir si otros planetas del sistema solar poseían o no una atmósfera gaseosa, como la Tierra, calculando si su gravedad superficial era suficientemente intensa para mantener esa atmósfera.

Pero su pasión real estaba reservada a su idea más preciada: el “electrón”.  Stoney había deducido que debía existir un componente básico de carga eléctrica.  Estudiando los experimentos de Michael Faraday sobre electrolisis, Stoney había predicho incluso cuál debía ser su valor, una predicción posteriormente confirmada por J.I.Thomson, descubridor del electrón en Cambridge en 1.897, dándole la razón a Stoney que finalmente, a ésta unidad básica de la electricidad, le dio el nombre de electrón con el símbolo e en 1.891 (antes de su descubrimiento).

                                                                               Casa familiar de Stoney

                                                            Círculo familiar

Stoney, primo lejano, y, más viejo, del famoso matemático, científico de computación y criptógrafo Alan Turing, también era tío de George Fitzgerald-Lorentz”, un fenómeno que fue entendido finalmente en el contexto de la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Stoney, podemos decir con seguridad, fue el primer que señaló el camino para encontrar lo que más tarde conoceríamos como constantes fundamentales, esos parámetros de la física que son invariantes, aunque su entorno se transforme, ellas, las constantes, continúan inalterables, como sucede, por ejemplo, con la velocidad de la luz c, que sea medida en la manera que sea, esté en reposo o esté en movimiento quien la mide o la fuente de donde parte, su velocidad será siempre la misma, 299.792.458 m/s.  Algo análogo ocurre con la Gravedad, G, que en todas partes mide el mismo parámetro.  Es la fuerza de atracción que actúa entre todos los cuerpos y cuya intensidad depende de la masa de los cuerpos y de la distancia entre ellos; la fuerza gravitacional disminuye con el cuadrado de la distancia de acuerdo a la ley de la inversa del cuadrado.

Profesor de filosofía natural (así llamaban antes de la Física) en el Queen’s Collegue Galway en 1860, tras su retiro se trasladó a Hornsey, al norte de Londres, y continuó publicando un flujo de artículos en la revista científica de la Royal Dublín Society, siendo difícil encontrar alguna cuestión sobre la que no haya un artículo firmado por él.

Stoney recibió el encargo de hacer una exposición científica del tema que el mismo eligiera para el programa de la reunión de Belfast de la Asociación Británica.  Pensando en que tema elegir, se dio cuenta de que existían medidas y patrones e incluso explicaciones diferentes para unidades que median cosas  distancias o algún fenómeno: Se preguntaba la manera de cómo definirlos mejor y como interrelacionarlos.  Vio una oportunidad para tratar de simplificar esta vasta confusión de patrones humanos de medida de una manera tal que diese más peso a su hipótesis del electrón.

En tal situación, Stoney centró su trabajo en unidades naturales que transcienden los patrones humanos, así que trabajó en la unidad de carga electrónica (según su concepto), inspirado en los trabajos de Faraday como hemos comentado antes.  También, como unidades naturales escogió G y C que responde, como se ha explicado, a la Gravedad Universal y la velocidad de la luz en el vacío.

emilio silvera

* Sol fusionando Hidrógeno en Helio. Volver

* 10¹⁷kg/m³.  El material llega a estar tan junto que protones y electrones se funden y forman neutrones. Volver

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