AIA-IYA2009. Sobre el Universo

El presente trabajo, como otros anteriores, trata de introducir al lector en temas de Física y Astronomía, y, con una gran sencillez, nos transporta al universo de lo muy pequeño en las profundidades del átomo, para visitar a los Quarks que forman protones y neutrones en los núcleos, o, por el contrario, nos lleva a la inmensidad del Cosmos, al universo de lo infinitamente grande, donde habitan los Agujeros Negros con sus “Singularidades” de inmensas densidades e infinitas energías donde el Espacio y el Tiempo dejan de existir.

Nos habla de las fuerzas de la naturaleza que lo rigen todo y de otros temas de interés, y su único cometido (así lo pretende el autor), es el de divulgar la ciencia y poner un granito de arena para que esa inmensa “montaña de ignorancia” que nos aplasta, se reduzca un poco.

Como decía Popper, “Cuanto más sé y más profundizo en el conocimiento de las cosas, más consciente soy de mi ignorancia. Mis conocimientos son limitados. Mi ignorancia infinita”.

Lo que sí es seguro, es el hecho de que quien lea el presente trabajo, cuando finalice, será un poquito más sabio y sus ideas actuales sobre lo que es el Tiempo, la Densidad Crítica, los Agujeros Negros, el Big Bang o el Big Crunch, habrán cambiado por completo.

Que leáis bien.

El Diccionario Oxford-complutense de Física explica que, cuando se viaja a velocidades relativistas, cercanas a c, se produce lo que conocemos como contracción de Lorentz-Fitzgerald que se concreta en la contracción de un cuerpo móvil en la dirección del movimiento. Fue propuesta independientemente por H. A. Lorentz  (1.853 -1.928) y G. E. Fitzgerald (1.851-1.900) en 1892 para explicar el resultado negativo del experimento de Michelson – Morley. A la contracción se le dio el marco teórico en la teoría especial de la relatividad como antes hemos reseñado. La Ecuación está definida de la forma siguiente:

(1)                                                      (2)

t-t₀/

De donde se sigue que, L₀ es la longitud en reposo (por ejemplo una barra), L es la longitud cuando el objeto se desplaza a velocidad v y c es la velocidad de la luz.

Si un reloj en reposo mide un intervalo de tiempo t₀¹ cuando el mismo reloj se halla en movimiento, el mismo intervalo de tiempo está dado por la ecuación (2)

La mecánica clásica estudia los fenómenos a una escala tal que v<c, por lo que estos cambios son apreciables.

Simultaneidad

Esa variación que experimenta el tiempo en la mecánica relativista cuestiona el concepto de simultaneidad, ya que bajo ese punto de vista no es fácil afirmar que dos fenómenos son simultáneos. Si lo son, deben ocurrir en el mismo instante, y para medir ese tiempo debe emplearse un mismo reloj para cada uno de los sucesos.

Lorentz supuso dos sistemas de ejes coordenados que se mueven uno respecto al otro con velocidad v.  Las coordenadas de ambos sistemas están relacionadas entre sí según muestran las ecuaciones siguientes:

Sigue otra serie de ecuaciones que, al no ser el presente trabajo de tipo técnico, ni para entendidos, no me parece procedente reseñar y, me limitaré a explicaciones escritas, no numéricas que, no estarían al alcance de todos.

Así que, en realidad, tanta numerología nos viene a decir que:

• Los objetos se contraen en el sentido de su marcha si sus velocidades son relativistas (cercanas a c, la velocidad de la luz).
• El tiempo se dilata para el viajero que ocupe una nave espacial que corre a la velocidad de la luz o similar.  Su tiempo, transcurre más despacio que el tiempo de los que quedamos en la tierra.

De esta forma, podemos demostrar como el tiempo es distinto para cada persona, lugar o circunstancia, tendremos tiempos unitarios y tiempos Universales.

El transcurrir del tiempo en el Universo está referido a un tiempo uniforme igual para todo y para todos. El transcurrir del tiempo de personas individuales o de grupos, en realidad, puede ser distinto del tiempo de otras personas o de otros grupos.

No es lo mismo el transcurrir del tiempo para quien está, junto a la persona amada en un lugar paradisíaco que, ese mismo periodo de tiempo para quien postrado en el lecho de un hospital sufre continuos dolores.  El primero verá pasar el tiempo velozmente, mientras que, el segundo, lo verá eternizarse.  En ambos casos, la noción de tiempo será engañosa según aconseje cada circunstancia, la realidad será que, el tiempo transcurrido para ambos es el mismo.

Sin embargo, ésta igualdad se rompe si el tiempo que transcurre es medida por un observador que está pendiente del tiempo que pasa en la Tierra y el tiempo que pasa en la nave espacial que partió de ella a 270.000 Km./s con destino a Alfa Centauro, a 4’3 años-luz de nuestro Sol.

El encargado de la medición comprobaría como el tiempo que transcurre es distinto en el planeta Tierra y en la nave espacial, donde debido a su velocidad (cercana a la de la luz) el tiempo transcurre mucho más lento, y, se puede dar el caso real de que, al regreso de la Nave, sus pasajeros astronautas solo tengan 8’6 años más, mientras que sus amigos y familiares que, a su partida, tenía la misma edad, soportarán el transcurso de varias decenas de años y ahora sean viejos.

Así lo demuestra , son los efectos predichos por la teoría de la relatividad especial de Einstein, los tiempos son relativos al movimiento de los observadores.  El reloj viajero es más lento en un factor = ecuación arriba reseñada.

Para poder contestar la pregunta ¿Cuándo comenzó el tiempo?, nos vemos obligado a retroceder 13.500 millones de años, hasta lo que conocemos como Big Bang, el origen del Universo, allí, en ese preciso momento, nació el tiempo y el espacio.

El Big Bang es la teoría más acertada del origen y evolución del Universo que se originó a partir de un estado inicial de alta temperatura y densidad que, desde entonces, ha estado siempre expandiéndose y, es precisamente esta expansión, la que da lugar al espacio (cada vez mayor) que abarca el Universo y, al mismo ritmo, crece o transcurre el tiempo inexorable.

El paso del tiempo lo cambia todo, los sistemas se transforman, viven y mueren para dar paso a otros nuevos sistemas.  Estrellas que brillan durante miles de millones de años y con el paso del tiempo consumen su material-combustible nuclear y mueren explotando en Novas o supernovas para con su material complejo, contribuir a la formación de nuevas estrellas y planetas, e, incluso formas de vida.

Todo envejece, se deteriora por la acción de la entropía, del paso del tiempo.  Sin embargo, él no cambia, es invariante, continúa su camino mientras que, a su alrededor, las mutaciones son continuas y lo único que permanece inalterable es: El Tiempo.

Me encantaría tener sabiduría para poder exponer de manera más amplia y precisa lo que es el tiempo, lo que aquí dejo escrito (después de documentarme), es corto y no me deja satisfecho, cualquier persona mejor preparada lo habría hecho mejor pero, de todas formas, la voluntad que he puesto en este trabajo compensa sus posibles deficiencias y el lector sabrá disculpar las mismas.

De todas las maneras posibles en los que me he detenido a pensar sobre lo que es y supone el tiempo, la que más me impresiona es aquella que me hacer ver claramente que no podemos impedir su transcurrir, que su paso nos llevará hacia la eternidad convertidos en polvo, dejando atrás a los seres queridos que nos gustaría seguir protegiendo, sin llevarnos la certeza de lo que el destino le tiene reservado a sus vidas.  Esa incertidumbre me causa una aguda impotencia, casi infinita que, en no pocas ocasiones, llego a sentir como un dolor físico y real causado por un pensamiento profundo del significado y las implicaciones irreversibles que el paso del tiempo nos trae a todos.

Individualmente hablando, el tiempo está bien mientras nos acompaña en nuestro recorrido a lo largo de nuestras vidas, después él continúa su camino mientras nosotros desaparecemos.  Colectivamente, el tiempo es muy importante, cada uno de nosotros hacemos un trabajo y desarrollamos una actividad que se va sumando a la de los demás, con el tiempo, el trabajo, ese conocimiento adquirido, continúa aumentando y, ese tiempo “infinito” es el que necesitamos, nosotros y los que vendrán detrás para resolver problemas muy graves que se presentarán en el futuro y que, de poder o no poder resolverlos, dependerá que la Humanidad perdure.

El tiempo será la mejor herramienta con la que podemos contar para resolver todos los problemas. Así lo dijo Hilbert:

“Por muy inabordables que parezcan estos problemas, y por muy desamparados que nos encontremos frente a ellos hoy, tenemos la íntima convicción de que debe ser posible resolverlos mediante un número finito de deducciones lógicas.  Y, para ello, la mejor herramienta es el tiempo, él nos dará todas las respuestas a preguntas que hoy no podemos ni sabemos contestar”.

En la tumba de David Hilbert (1862-1943), en el cementerio de Gotinga (Alemania), dice:

“Debemos saber. Sabremos”.

Estoy totalmente de acuerdo con ello, el ser humano está dotado de un resorte interior, algo en su mente que llamamos curiosidad y que nos empuja, (sin que en muchas ocasiones pensemos en el enorme esfuerzo y en el alto precio que pagamos), a buscar respuestas, a querer saber el por qué de las cosas, a saber por qué la naturaleza se comporta de una u otra manera y, sobre todo, siempre nos llamó la atención aquellos problemas que nos llevan a buscar nuestro origen en el origen mismo del Universo, y, como nuestra ambición de saber no tiene límites, antes de saber de donde venimos, ya nos estamos preguntando hacia donde vamos.  Nuestra osadía no tiene barreras y, desde luego, nuestro pensamiento tampoco las tiene, gracias a lo cual, estamos en un estadio de conocimiento que a principios del siglo XXI, se podría calificar de bastante aceptable para dar el salto hacia objetivos más valiosos.

Es mucho lo que hemos avanzado en los últimos ciento cincuenta años.  El adelanto en todos los campos del saber es enorme.  Las Matemáticas, la Física, la Astronomía, la Química, la Biología Genética, y otras muchas disciplinas científicas que, en el último siglo, han dado un cambio radical a nuestras vidas.

El crecimiento es exponencial, cuanto más sabemos más rápidamente avanzamos.  Compramos ordenadores, teléfonos móviles, telescopios y microscopios electrónicos y cualesquiera otros ingenios e instrumentos que, a los pocos meses, se han quedado anticuados, otros nuevos ingenios mucho más avanzados y más pequeños y con muchas más prestaciones vienen a destituirlos.

¿Hasta donde podremos llegar?

Con el tiempo suficiente por delante…   No tenemos límite.   Todo lo que la mente humana pueda idear… Podrá hacerlo realidad. A excepción, claro está, de las imposibilidades físicas que, en este momento, no tenemos la capacidad intelectual para enumerar. La verdad es que nuestra especie es inmortal.  Sí, lo sé. A nivel individual morimos pero…, debemos tener un horizonte más amplio, y, evaluar una realidad más global, y, sobre todo, a más largo plazo.  Todos dejamos aquí nuestro granito de arena, lo que conseguimos no se pierde y nuestras antorchas son tomadas por aquellos que nos siguen para continuar el trabajo emprendido, ampliar los conocimientos, perfeccionar nuestros logros y pasar a la fase siguiente.

Este es un punto de vista que nos hace inmortales e invencibles, nada podrá parar el avance de nuestra especie. A excepción de nuestra especie  misma.

Ninguna duda podemos albergar sobre el hecho irrefutable de que, venimos de las estrellas* y de que nuestro destino, también, está en las estrellas*.

La humanidad necesita más energía para continuar avanzando, los recursos naturales fósiles, como el petróleo, el gas o el carbón, son cada vez más escasos y difíciles de conseguir.  Se ha llegado a un punto en el que se deben conseguir otras energías.

Dentro de unos treinta años estaremos en el camino correcto, la energía de fusión sería una realidad que estará en plena expansión de un comenzar floreciente.  Sin residuos nocivos peligrosos como las radiaciones de la fisión nuclear, la fusión, nos dará energía limpia y barata en base a una materia prima muy abundante en el planeta Tierra.

Nuestro Sol fusiona Hidrogeno en Helio a razón de 4.654.000 toneladas por segundo.  De esta enorme cantidad de Hidrógeno, 4.650.000 toneladas se convierten en Helio.  Las 4.000 toneladas restantes, son lanzadas al espacio en forma de luz y calor, energía termonuclear de la que, una parte, llega al planeta Tierra y hace posible la vida.

Resulta pues que, el combustible nuclear de las estrellas es el Hidrógeno que mediante su fusión hace posible que genere tal enormidad de energía.  Así lleva el Sol unos 4.500 millones de años, y se espera que, al menos durante un período similar, nos esté regalando su luz y su calor.

Ahora, pasado el tiempo, nuestra innata curiosidad nos ha llevado a descubrir que vivimos en un planeta que pertenece a una estrella de una galaxia que forma parte de un grupo de treinta galaxias (el “Grupo Local”) y que a su vez, están inmersas en un Universo que cuenta con decenas de miles de millones de Galaxias como la nuestra.

Hemos podido saber que ese Universo está en expansión y que las Galaxias se alejan las unas de las otras.  Se ha podido deducir que el Universo surgió de una explosión a la que llamamos el Big Bang hace ahora 13.500 millones de años.  A partir de una singularidad, un punto de energía y densidad infinitas, surgió el Universo que, desde entonces, junto con el espacio y el tiempo continúa expandiéndose.

Surgieron los primeros quarks libres que se juntaron para formar protones y neutrones que, a su vez, se unieron y formaron núcleos que, al tener energía positiva, atrajeron a los electrones, de energía negativa, formándose así lo átomos estables.

Los átomos se juntaron para formar moléculas y células y éstas, a su vez, juntas formaron materia.  Al principio era todo simetría y existía una sola fuerza que lo regía todo, el Universo era totalmente opaco, la temperatura reinante muy alta y todo estaba invadido por una especie de plasma.

Pero la expansión del joven Universo continuó imparable, la temperatura fue descendiendo y la simetría se rompió lo que dio lugar a que dónde sólo había una sola fuerza aparecieran cuatro. Las fuerzas nucleares, fuerte y débil, el electromagnetismo y la Gravedad surgieron de aquella simetría rota y como hemos dicho antes, surgieron los primeros quarks para, con los electrones, fabricar la materia que,  está hecha de Quarks y Leptones. Más tarde, la luz apareció al quedar libres los fotones, y, donde antes todo era opacidad, surgió la transparencia. Pasaron unos doscientos mil años antes de que nacieran  las primeras estrellas y se formaran las Galaxias.

Las estrellas evolucionaron y en sus hornos nucleares se fabricaron elementos más complejos que el primario hidrógeno; con la fusión nuclear en las estrellas se fabricó helio, Litio, magnesio, neón, carbono, oxigeno, etc. etc.

Estas primeras estrellas brillaron durante algunos miles de millones de años y, finalmente, acabado su combustible nuclear, finalizaron su ciclo vital explotando como supernovas lanzando al espacio exterior sus capas más superficiales y cargadas de materiales complejos que, se dispersó por el inmenso cosmos para hacer posible el nacimiento de nuevas estrellas y planetas y… a nosotros que, sin esas primeras estrellas que fabricaron los materiales complejos de los que estamos hecho,  no estaríamos aquí.

emilio silvera

* El material de que estamos hechos se formó hace miles de millones de años en estrellas lejanas que, explotaron en Supernovas y dejaron el espacio regado de la materia que somos. Volver

* El final del sol, dentro de 4.000 millones de años, nos obligará a que antes, tengamos que emigrar a otros mundos lejanos. Volver

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