¡¡El Universo!!

 ¿Cuándo lo conoceremos? Si me refiero al Universo.

Que poco a poco el intelecto humano va desvelando secretos del universo, tiene hoy día poca discusión.  Claro que, no siempre fue así. En 1900 fue Kelvin el que señaló que “dos nubes” se cernían sobre el horizonte: una tenía que ver con las propiedades del movimiento de la luz y la otra con aspectos de la radiación que emiten los objetos cuando se calientan.

Y, aunque los dos problemas fueron rápidamente abordados, pero no eran en absoluto menores. Cada uno de ellos inició una auténtica revolución, y cada uno de ellos nos llevó a un nuevo entendimiento de la Naturaleza. Al entender aquellos dos conceptos (de luz y radiación), el espacio, el tiempo y la realidad –que durante muchos años habían regido nuestros pensamientos, tuvieron que ser apartados para adoptar otras maneras de entenderlos y otras formas de pensamientos-.

La relatividad de Einstein (que abordó una de aquellas nubes) de 1905 y 1915, cuando quedó completa la teoría en su primera parte especial y en la segunda general. Mientras luchaba con enigmas que implicaban a la electricidad, el magnetismo y el movimiento de la luz, Einstein se dio cuenta de que la idea de Newton de espacio y tiempo, la piedra angular de la física clásica, era errónea y él, con su nueva manera de ver el universo, postuló que el espacio y el tiempo no eran independiente en absoluto, como Newton había pensado, sino que está mezclado de una manera que contradice nuestra experiencia común y, cuando pudo finalizar la segunda parte de la relatividad, Einstein terminó de desterrar a Newton al exponer sus ecuaciones de campo de la relatividad general que describe, de manera magistral, lo que es la fuerza de Gravedad y las leyes que rigen la física gravitatoria. Así quedó demostrado que espacio y tiempo son parte de un todo unificado y, también demostró que deformándose y curvándose participan en la evolución cósmica  y escriben la geometría del universo. Así que, desde entonces, sabemos que, aquellas estructuras rígidas e inmutables de Newton, a partir de Einstein, serían flexibles y dinámicas.

La distancia a una galaxia lejana se determina estudiando la luz proveniente de estrellas de tipo Cefeidas Variables. El expectro de la luz estelar revela la velocidad a la que se mueve la galaxia (Efecto Doppler) y la cantidad de expansión que ha sufrido el universo desde que la luz salió de su fuente.

¿Qué dudas podemos tener sobre el hecho cierto de que, las dos teorías de la relatividad se encuentran entre los mayores logros del intelecto humano? Las ideas que contienen, cambiaron la manera de mirar el universo y dio lugar al nacimiento de la cosmología como ciencia.

La otra “nube negra” a la que se refería Kelvin, relacionada con la radiación que emitían los cuerpos calientes, nos llevó a la segunda revolución: La Mecánica Cuántica, con ello llegaron nuevos conceptos a los que fue sometido el intelecto humano y que revolucionó la física de la época para transmutarnos hacia un mundo moderno lleno de conceptos nuevos que chamuscaban los brillantes barnices de la física clásica al quedar literalmente achicharrados por la potente luz que desprendía la realidad cuántica.

El catorce de diciembre de 1900 en los albores del siglo XX, el físico alemán Max Planck (1858-1947) presentó un trabajo acerca de la ley de radiación del cuerpo negro en una reunión de la Sociedad alemana de Física de Berlín y esta fecha puede ser considera, sin ninguna duda, como el nacimiento de la Mecánica cuántica. En su deducción. Planck introdujo en Física el concepto nuevo de que la energía es una cantidad que es radiada por un cuerpo en pequeños paquetes discretos, en vez de en una emisión continua. Estos pequeños paquetes se conocieron como cuantos y la ley formulada fue, posteriormente la base, para la teoría cuántica.

La fórmula de Planck de la energía radiada por unidad de tiempo a frecuencia ν por intervalo de frecuencia unidad y por ángulo sólido unidad en un cono infinitesimal de un elemento de la superficie del cuerpo negro que es de área unidad en proyección perpendicular al eje del cono. En su deducción de la expresión teórica de la intensidad de radiación en función de la longitud de onda y de la temperatura. Planck abandonó la física clásica al introducir un concepto radical ad hoc cuya esencia puede formularse como sigue: Un oscilador de frecuencia natural v puede tomar o ceder energía únicamente en proporciones de magnitud E = hv, donde h es una constante de la naturaleza, llamada constante de Planck 8el cuanto de acción, pues tiene dimensiones de acción (energía por tiempo) Js: Julios (J), unidad de energía por segundo (s)unidad de tiempo) y solo puede tener, y por lo tanto emitir energía dadas por E = nhv, donde n es un entero positivo, v la frecuencia de radiación y h la constante de Planck. Así, Planck fue capaz con esta hipótesis de encontrar una expresión teórica para la función de distribución espectral de densidad de energía en función de la longitud de onda   o de la frecuencia de la cavidad de radiación de cuerpo negro  de la cavidad de radiación de cuerpo negro (aquí obvio las ecuaciones).

Toda esta función llamada ley de Planck se ajusta muy bien a los datos obtenidos experimentalmente. El valor de la constante de Planck, h, puede ser determinado encajando la función de la ecuación a los datos experimentales. El valor actualmente aceptado para la constante h es igual:

La importancia fundamental, la explicación física de la cuantificación o cuantización (discretización) introducida por la ecuación, no fue completamente entendida por Planck que la consideraba simplemente solo un truco matemático para ajustar una función matemática a los datos físicos. Planc era un físico formado en la tradición clásica, y que solo abandonó los supuestos clásicos “en un acto de desesperación” como él dijo alguna vez.

El significado físico de la entrada del cuento de acción en la escena física, no fue generalmente apreciada por los físicos hasta 1905, cuando el genial físico (de nuevo) Einstein (1879-1955) aplicó las ideas cuánticas de Planck a su inconmensurable trabajo sobre el Efecto Fotoeléctrico (que le ganaría el Nobel de Física) al sugerir que la misma no era una misteriosa propiedad de los osciladores en las paredes de la cavidad y la radiación de cuerpo negro, la cuantificación es una característica fundamental de la propia energía lumínica.

Claro que, una característica central de la Física Clásica es que si conocemos las posiciones y velocidades de todos los objetos en un instante particular, podemos decir cuáles serán sus posiciones y velocidades en cualquier otro instante, ya sea pasado o futuro. Sin equivocación, la física clásica declara que el pasado y el futuro están gravados en el presente. Esta característica es también compartida por la Relatividad Especial y General. Aunque los conceptos relativistas de pasado y futuro son más sutiles que sus que sus familiares contrapartidas clásicas, las ecuaciones de la relatividad, junto con una evaluación completa del presente, los determinan por completo.

De forma completamente inesperada, encontraron que sólo las leyes cuánticas eran capaces de resolver la barahúnda de rompecabezas y explicar una gran variedad de datos recién adquiridos procedentes de los átomos y del reino subatómico. Sin embargo, si hacemos la medida más perfecta técnicamente posible para comprobar cómo son las cosas en este preciso momento, lo más que podemos esperar es predecir la probabilidad de que las cosas sean de una manera u otra en un instante escogido en el futuro, o de que las cosas fueron de una determinada manera u otra en algún instante escogido en el pasado. El Universo, según la mecánica cuántica, no está grabado en el presente; el universo, según la mecánica cuántica, participa (por decirlo de alguna manera) en un juego de Azar.

Mientras que la Intuición humana, y su encarnación de la Física Clásica, imagina una realidad en la que las cosas a veces se mantienen en un estado confuso entre ser parcialmente de una manera y parcialmente de otra. Las cosas sólo se hacen definidas cuando una observación apropiada las obliga a abandonar las posibilidades cuánticas y asentarse en un resultado específico. Sin embargo, el resultado que se hace real no puede predecirse: solo podemos predecir las probabilidades de que las cosas resulten de una manera o de otra.

Esto, para nuestro común raciocinio, no resulta nada familiar y sí resulta muy extraño. No estamos acostumbrados a una realidad que permanece ambigua hasta que es percibida. Pero la singularidad de la mecánica cuántica no se detiene aquí. Tan sorprendente al menos como esta es una característica que se representa en un artículo por Einstein en 1935 con dos colegas más jóvenes, Nathan Rosen y Boris Podolsky, que pretendía ser un ataque a la teoría cuántica. Con giros posteriores del progreso científico, el artículo de Einstein puede considerarse ahora como uno de los primeros en señalar que la mecánica cuántica –si se toma al pie de la letra- implica que algo que uno observa aquí puede estar instantáneamente ligado a algo que está sucediendo allí, independientemente de la distancia.

Claro que Einstein considera absurda tales conexiones instantáneas y postulaba que la teoría necesitaba mucho desarrollo para llegarla a conocer por completo. Sin embargo, cuando la teoría y la tecnología permitió comprobar todos aquellos supuestos absurdos cuánticos, los investigadores pudieron comprobar que podía haber  un vínculo instantáneo entre lo que sucede en lugares ampliamente separados. Dos objetos pueden estar muy distantes en el espacio, pero por lo que concierne a la mecánica cuántica es como si fueran una única entidad. Además, debido al rígido vínculo entre espacio y tiempo encontrado por Einstein, las conexiones cuánticas también tienen tentáculos temporales.

Tenemos que comprender que abrir nuestras mentes a la verdadera naturaleza del Universo ha sido, desde siempre, uno de los objetivos más importantes de la Física. Al menos para mí, es difícil imaginar, una experiencia más cautivadora y reveladora que la de aprender, conocer y saber cómo hemos podido llegar hasta ésta primera década del siglo XXI en la que, sentimos y somos conscientes de que, la realidad que en este “universo” del saber del mundo sentimos, es, un pálido reflejo de la realidad que nos acecha en el futuro.

Mientras tanto, algunos no dejan el empeño de unificar en una sóla esas dos grandes teorías cuántica-relativista. Algunos, sin el equipamiento necesario, se metieron osados en las rápidas aguas que los arrastró en la corriente, y, sin embargo, tuvieron el tiempo necesario para dejar, a los que venían detrás, sus ideas de que, una teoría cuántica-relativista era posible. Así, llegó, con Kaluza-Klein aquel primer intento que se intentó en la quinta dimensión y unificaba la Relatividad General de Einstein con el Electromagnetismo de Maxwell. Pasó el tiempo, y, surgieron aquellas teorías de gran unificación que se llamaron de supergravedad, supersimetría, la cuerda heterótica, supercuerda y, la última y unificadora de todas las demás, la Teoría M. Y, la persistencia de todo este elenco de esforzados físicos, no cayó en saco roto. El sueño se mantiene muy vivo y no pierden la esperanza de alcanzar la recompensa a tanto trabajo y sacrificio. Los científicos recorren ahora caminos desbrozados por exploradores del pasado y ellos los siguen abriendo nuevos surcos, como si de exploradores se tratara, buscan y se acercan a una fusión armoniosa de las Leyes de lo muy Grande y de lo Muy Pequeño. Estamos seguros de que, más tarde o más temprano, las supercuerdas nos darán una gran alegría que, cuando surja, será como la de Einstein y Planck, otra gran revolución.

El sencillo repaso que llevamos dado a algunos acontecimientos de la física, son, por sí mismos, suficiente para comprender que nuestra comprensión de la verdadera naturaleza del espacio y el tiempo sería un testimonio de la capacidad del intelecto humano. Finalmente ¿llegaremos a conocer la realidad que subyace dentro de los conceptos del espacio-tiempo? Aquí, antes de dar una respuesta categórica, tendríamos que pasar un largo tiempo en silencio y pensando muy profundamente en la clase de respuesta que podríamos dar, toda vez que, tenemos delante de nosotros el horizonte de marcadores que delimitan las más remotas fronteras que, en nuestras mentes, quedan fuera de toda la experiencia humana, y, en ese sentido, sólo podemos intuir, para poder dar (con la experiencia hasta el momento adquirida), una respuesta que, de ninguna manera, puede ser categórica en ningún sentido que nos lleve a una realidad, ya que, en Ciencia, todo tiene que estar constatado y, el futuro, nos quedo lejos, muy lejos aún.

Si nos paramos a pensar por un momento, lo que hemos podido llegar a conseguir en las distintas ramas de la Ciencia, no tendríamos lugares suficientes para alojar la cantidad de asombro que nos abrumaría. Muchos han sido los logros que el ser humano ha podido conquistar con tan sólo su cerebro como herramienta principal. Y, al verdadero físico, por ejemplo, siempre se le aceleró el corazón cuando estaba a la vista del descubrimiento soñado. ¿Podéis imaginar lo que sentiría Einstein cuando al fin, después de largos años de búsqueda, pudo formular su teoría de la relatividad general?

¿Qué sensación puede existir para un científico que esa de descubrir los secretos de la Naturaleza?

Hay cuestiones importantes que nunca debemos olvidar y, desde luego, hombres de grandes pensamientos posibilitaron que nosotros ahora estemos aquí.

El gran filósofo alemán Gottfried Wilehlm Leibniz (que era contemporáneo de Newton con el que tuvo algunas refriegas), creía firmemente que el espacio no existe en ningún sentido convencional. Hablar de espacio, afirmaba, no es nada más que una forma fácil y conveniente de codificar dónde unas cosas se relacionan con otras. Sin objetos en el espacio, decía Leibniz, el propio espacio no tiene significado o existencia independiente, es decir, él nos decía que el espacio sin materia, el espacio vacío, no tenía ningún sentido. Un espacio vacío vendría a ser como un alfabeto sin letras.

Otro personaje que no es fácil de olvidar (Einstein lo tenía siempre en sus pensamientos en la relatividad general), es Mach que, entre otras muchas cuestiones se planteó que, en un universo vacío no hay distinción entre girar y no girar –no hay concepto de movimiento o aceleración si no hay puntos de referencia para comparar- y por lo tanto, girar o no girar sería lo mismo. Si las dos piedras de Newton unidas por una cuerda se pusieran a girar en un universo por lo demás vacío, Mach decía que la cuerda permanecería flácida. Si nosotros girásemos en un universo por lo demás vacío, nuestros brazos y piernas no se despegarían del cuerpo, y el fluido de nuestros oídos no se vería afectado, nosotros no sentiríamos nada. Esta es una sugerencia profunda y sutil. Para asimilarla realmente nosotros necesitaríamos meternos seriamente el el ejemplo e imaginar la quietud uniforme y negra del espacio totalmente vacío.

El de Mach fue el primer desafío importante a la obra de Newton en más de dos siglos, y durante años envió ondas de choque a través de la comunidad de la Física (y más allá: en 1909, mientras vivía en Londres, Vladimir Lenin escribió un panfleto filosófico que, entre otras cosas, discutía aspecto de la obra de Mach.

Claro que, todas estas ideas han ido evolucionando y nos han llevado a conceptos de campos de diversas procedencias, tales como: campos gravitatorios, campos nucleares, campos de Higgs, y otros. Cada vez se hizo más claro que el concepto de campo para una formulación moderna de la física.

Por ejemplo, si nos centramos en Maxwell veremos que, al analizar con más atención sus ecuaciones encontró que los cambios o perturbaciones en los campos electromagnéticos viajan de una manera ondulatoria a una velocidad particular: 1.080 millones de kilómetros por hora. Como es precisamente el valor que otros experimentos había encontrado para la velocidad de la luz, Maxwell se dio cuenta de que la luz no debe ser otra cosa que una onda electromagnética, una onda que tiene las propiedades correctas para interaccionar con las sustancias químicas en nuestra retina y darnos la sensación de visión. Este logro hizo que ya los trascendentales descubrimientos de Maxwell se hiciesen aún más extraordinarios: él había unido la fuerza producida por imanes, la influencia ejercida por cargas eléctricas y la luz que utilizamos para ver el universo pero, también planteó una cuestión profunda.

Cuando decimos que la velocidad de la luz es de 1.080 millones de kilómetros por hora, la experiencia, y nuestra discusión hasta ahora, nos enseña que este es un enunciado carente de significado si no especificamos con respecto a qué se está midiendo esa velocidad. Lo divertido era que las ecuaciones de Maxwell daban precisamente este número, 1.080 millones de kilómetros por hora, sin especificar o basarse aparentemente en ninguna referencia semejante. Era como si alguien diera el lugar de una fiesta a 30 kilómetros al norte sin especificar la referencia, sin especificar el norte de qué. La mayoría de los físicos, Maxwell incluido, intentaron explicar la velocidad que daban sus ecuaciones de la siguiente manera: las ondas familiares, tales como las ondas del océano o las ondas sonoras, son transmitidas por una sustancia, un medio. Las ondas del océano son transmitidas por el agua. Las ondas sonares son transmitidas por el aire. Y las velocidades de estas ondas están especificadas con respecto al medio. Cuando hablamos de la velocidad del sonido a temperatura ambiente de 1.230 kilómetros por hora (también conocida como Mach 1, por el mismo Ernst Mach del que hablamos antes) queremos decir que las ondas sonaras viajan a esta velocidad a través del aire que, salvo por esto, está en reposo. Era natural, entonces, que los físicos supieran que las ondas luminosas –ondas electromagnéticas- también debían viajar a través de un medio particular, un medio que nunca había sido visto o detectado pero que debía existir. Para dar su debido respeto a este algo invisible que transportaba la luz, se le dio el nombre de el éter luminífero, o el éter para abreviar, siendo este último el término antiguo que utilizó Aristóteles para describir la sustancia mágica comodín de la que se suponía que estaban hechos los cuerpos celestes. Y, para cuadrar estas propuestas con los resultados de Maxwell se sugirió que sus ecuaciones adoptaban implícitamente las perspectivas de alguien en reposo con respecto al éter. Los 1.080 millones de kilómetros por hora a los que llegaban sus ecuaciones eran entonces la velocidad de la luz con respecto al éter en reposo.

Claro que, pasado el tiempo, en todo aquello intervino alguien que, sencillo él, como si de un niño se tratara, se hacía preguntas “tontas” de una profundidad inalcanzable. Así, las ecuaciones de Maxwell no permitían que la luz parezca estacionaria, es decir, verla como si estuviera en reposo. Y ciertamente, no hay ningún informe fiable de nadie que realmente haya considerado un trozo estacionario de luz. Entonces se preguntaba el adolescente Einstein, ¿qué vamos a hacer con esta aparente paradoja?

Diez años más tarde, Einstein dio al mundo su respuesta con su teoría de la relatividad especial. Ha habido muchos debates sobre las raíces intelectuales del descubrimiento de Einstein, pero no hay duda de que su inquebrantable creencia en la simplicidad jugó un papel crítico. Einstein postulaba que la luz era un viajero solitario, la luz puede viajar a través del espacio vacío. Einstein nos vino a decir, con su sencilla manera de exponer las cosas que, si la teoría de Maxwell no apela a ningún patrón de reposo particular, la interpretación más directa es que no necesitamos uno. La velocidad de la luz, declaró Einstein, es de 1.80 millones de kilómetros por hora con respecto a nada y a todo.

“Hacer las cosas tan simples como sea posible, pero no más”

Durante toda su vida, Einstein desafío el sentido común y, con la paradoja de las ecuaciones de Maxwell, él supo ver que la luz tenía su medida invariante en la marcha que le había asignado el universo, sin tener en cuenta la fuente de procedencia, siempre, y en todas las circunstancias, la luz, correría a 1.080 millones de kilómetros en el vacío espacial.

Así que, desde entonces, la velocidad de la luz es constante y, podemos deducir que, el espacio y el tiempo están en el ojo del que contempla. Cada uno de nosotros lleva consigo su propio reloj, su propio monitor del paso del tiempo que, como sabemos, no es igual para todo, ya que, es relativo en sunción de las circunstancias que en cada caso se puedan dar.

Einstein, además, nos llevó a su principio de equivalencia  al concluir que la fuerza que uno siente de la gravedad y la fuerza que uno siente de la aceleración son la misma. Son equivalentes y de ahí, su principio de equivalencia en su teoría gravitatoria en las que nos habla de deformaciones, curvas y gravedad cuando grandes cuerpos están presentes. Todo quedó bien explicado en las ecuaciones de campo de Einstein de la Relatividad General. Einstein veía la deformación del espacio-tiempo como manifestación –la encarnación geométrica- de los campos gravitatorios. Así, Einstein fue capaz de encontrar las ecuaciones  que hacen para la Gravedad lo que las ecuaciones de Maxwell hacían para el electromagnetismo. Utilizando estas ecuaciones, Einstein y muchos otros hicieron predicciones que asombraron al mundo: Las trayectorias que seguirían este o aquel planeta o, incluso,  la luz emitida por una estrella lejana cuando atraviesa el espacio-tiempo curvo. Todo lo que predice la teoría de Einstein, ha sido confirmado con exactitud y, todavía más, ya que, podemos decir que aún, no han sido obtenidos todos los mensajes que dentro de sus ecuaciones subyacen y que predicen muchas más cosas que, además de la existencia de los agujeros negros y otras muchas cuestiones, quedan dentro algunos mensajes que no han sido descifrados todavía.

No será fácil poder imaginar en nuewstras mentes un universo sin estrellas, ni mundos ni galaxias y, menos sin seres que observen

Habéis pensado en un universo invariable y totalmente vacío (sin estrellas, sin planetas, sin galaxias ni nada en absoluto), no habría Gravedad. Y sin gravedad, el espacio tiempo no estaría deformado, adoptaría una forma simple y no curvada y, eso significa que estaríamos en un escenario más simple de la relatividad especial (recordemos que Einstein, cuando desarrolló la relatividad especial, ignoró la gravedad y corregiría esta deficiencia con la segunda parte, en la relatividad general).

A todo esto, hay que convenir que, la mecánica cuántica, es diferente. Su extraño “universo” se hace evidente sin comparación. Es difícil entrenar la mente para tener intuición mecanocuántica viniendo del mundo macroscópico al que pertenecemos y, tenemos que reconocer que, la mecánica cuántica, hace añicos nuestra propia intuición concepcional y personal-individual del mundo que nos rodea que es, sin dudarlo, otra realidad.

Está claro que, debido a su naturaleza intrínsecamente probabilista, la mecánica cuántica difiere radicalmente de cualquier descripción fundamental previa del universo, cualitativa o cuantitativa. Desde su nacimiento allá por el año 1900 (como al principio decía), los físicos se han esforzado en hacer compatible este marco extraño e inesperado con la visión del mundo común; este esfuerzo aún está en marcha. El problema radica en reconciliar la experiencia macroscópica de la vida cotidiana con la realidad microscópica revelada por la mecánica cuántica.

Os puedo asegurar amigos míos, que dicho logro no será nada fácil de conseguir, ya que, reconciliar la Teoría de Einstein con la de Planck, requiere de muchas cosas (conocimientos, tecnologías, energías y matemáticas) que aún, no tenemos.

Pero eso sí, el mundo de la Física, precisamente por eso, por los muchos enigmas que encierra, nos resulta tan fantástico.

¡La Física!

emilio silvera

He bebido de muchas fuentes para escribir este trabajo que, viene aquí para tratar de haceros más llevadero el día. ¡Que lo disfrutéis!

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