La Ciencia avanza sin cesar

La madre Naturaleza,  que si da un suspiro a destiempo, nos podría alejar de la faz de la Tierra para siempre y, ahí se acabó nuestro histórico recorrido por el este Valle de Lágrimas que, aunque nos ha dado la posibilidad de conocer la Belleza, algo de Felicidad, el Amor y el placer de Descubrir para saber…no nos ha entregado un Certificado de Garantías de nuestra permanencia para siempre en este bello planeta que, no siempre,  hemos sabido tratar como se merece.

En el siglo XX hemos podido ser testigos de múltiples y maravillosos descubrimientos científicos que han cambiado la concepción que del mundo podíamos tener: La teoría de Planck del cuanto que nos llevó directamente a la Mecánica Cuántica, el Relatividad de Einstein que nos lleva a un espacio-tiempo de cuatro dimensiones, nos dijo que la luz marcaba el límite de transmitir la información y, también, que la masa y la energía eran una misma cosa, así como que, ¡el Tiempo!, era relativo y no absoluto. Más tarde, en su ampliación de la teoría en 1916, nos dijo que la presencia de grandes masas distorsionaba el espacio-tiempo.

Estos dos claros exponentes de aquella revolución científica nos abrieron los ojos y la mente a un Universo distinto que ahora, después de dichas teorías, tenía más sentido.

Otro de aquellos descubrimientos explosivos, fue la teoría cosmológica del big bang, que surgió como combinación de ambas, y, justo es que, se digan quienes fueron sus protagonistas que, no por sabido, estará demás dejar aquí un pequeño homenaje.

Cuando Einstein publicó en 1916 la teoría de la relatividad general era consciente de que ésta modificaría la ley de la gravedad universal de Newton: la solución a sus ecuaciones no sólo sustituyo el planteamiento dinámico de fuerza de atracción por otro geométrico de deformación del espacio-tiempo, sino que permitía explicar el universo en su conjunto.

Fue él el primer sorprendido al encontrar que dicha solución global traía como consecuencia un mundo cambiante, un universo que inicialmente estimó en contracción. Como esto no le cabía en la cabeza introdujo un término en las ecuaciones que contrarrestara el efecto gravitatorio: una fuerza repulsiva, a la que llamó constante cosmológica (Λ) Esta constante dotaba al espacio vacío de una presión que mantenía separados a los astros, logrando así un mundo acorde a sus pensamientos: estático, finito, homogéneo e isótropo.

                                                                             El Universo se expande

Años más tarde, Einstein comentaría que la introducción de esta constante, había sido el mayor error de su vida, porque (con una mejor estimación de la densidad) podía haber predicho la expansión del universo antes de que fuera observada experimentalmente. Claro que, su excusa era admisible, cuando el introdujo la constante cosmológica, nadie sabía que el universo estaba en expansión.

                                Albert Einstein

Con todo y a pesar de su enorme importancia, la teoría de la relatividad no llegó a tener verdadera importancia hasta que, en 1919, Arthur Eddintong confirmó la predicción del físico alemán con respecto a la curvatura de la luz, aprovechó el eclipse solar de Sol de ese año. De la noche a la mañana, Einstein se convirtió en el físico más popular del mundo al predecir con su ingenio y con su enorme intuición fenómenos que eran reales antes de que éstos fueran comprobados. Así, con carácter desenfadado, expresándose en términos sencillos y muy distintos (menos estirados) que los de sus colegas, había dado respuesta a preguntas que habían sido formuladas pero, que nadie hasta entonces, había sabido contestar.

Entre tanto, el astrónomo holandés Willem de Sitter obtuvo en 1917 una solución a las ecuaciones del sabio alemán, sugiriendo la posibilidad de que el universo fuera infinito, aparentemente estático y de densidad prácticamente nula en el que tan solo había energía. Por otro lado, el matemático ruso Alexander Friedmann consiguió en 1922 varias soluciones a las ecuaciones proponiendo universos que se contraían o que se expandían, según los valores que tomara la constante cosmológica. Cuando su trabajo se publicó en Alemania, Einstein respondió con una nota en la misma revista presumiendo un error matemático. El error resultó finalmente inexistente, pero Einstein tardó en rectificar, por lo que la respuesta de Friedmann quedó en un segundo plano.

Los dos grandes retos que los Astrónomos habían tenido desde siempre habían sido medir las distancias a las estrellas y averiguar su composición. Como sabéis, el primero de los problemas se solucionó al utilizar las Cefeidas, estrellas de brillo variable, como estándares. Estas estrellas habían sido estudiadas por la americana Henrietta Leavitt, y en 1912 había conseguido relacionar la magnitud absoluta (brillo intrínseco de una estrella) con el período de su oscilación luminosa.

Teniendo en cuenta esta Ley, Edwin Hubble había detectado en 1925 en el Mount Wilson Observatory doce cefeidas en la “Nebulosa” de Andrómeda que las situaban a una distancia mayor que el tamaño de nuestra Galaxia. Esto rompía todas las expectativas, ya que en ese momento se pensaba que todo el Universo estaba contenido en la Vía Láctea.

     Lowell Observatory de Flagstaff

El segundo reto había llevado a los astrónomos a estudiar el espectro de la luz que emiten las estrellas. Aunque en esa época la técnica espectroscópica era muy rudimentaria, comenzó a dar sus frutos. Uno de ellos vino de la mano de Vesto Slipher, quien en la conferencia que impartió en el Lowell Observatory de Flagstaff (Arizona), en junio de 1925, anunció que el espectro de la luz que había recogido en la mayor parte de las galaxias estaba desplazado hacia el rojo. No se sabía a ciencia cierta lo que esto podía significar, pero Harlow Shapley, apoyado en el Efecto Doppler, consideró que ese corrimiento hacia el rojo era consecuencia de que las galaxias se desplazaban.

Un Universo eterno en evolución

Georges Lamaìtre irrumpió en ese escenario tímidamente, como un estudiante de postgrado. Había nacido a finales del siglo XIX en el sur de Bélgica. Era el mayor de cuatro hermanos. Su padre había estudiado Derecho en la Universidad de Louvain y tenía una fábrica de vidrio. Georges comenzó la carrera de Ingeniero de Minas en Lovaina, pero sus estudios se vieron interrumpidos al estallar la Primera Guerra Mundial, en la que participó como artillero. Al acabar el conflicto bélico, regreso a las Aulas, pero no para continuar sus estudios de Ingeniería, sino que, se matriculó de en el segundo ciclo de Física y Matemáticas. A su término, ingresó en el Seminario de Malinas y en 1923 recibió las Órdenes sagradas.

Georges Lemaître en 1933, durante una de sus exposiciones.

Su condición de sacerdote no le impidió continuar en su carrera científica y pidió ser admitido como estudiante investigador de Astronomía en el Royal Observatory de Greenwich para el curso 1923-24. Allí fue alumno de Eddintong, que le enseñó a conjugar la Astronomía con la Teoría de la Relatividad. No dejó de estar al día con todos y cada uno de los adelantos y experimentos que se realizaban en aquel campo de la Astronomía Cosmológica.

En 1926, el Jurado de su Doctorado le comunicó que su tesis contenían todos y cada uno de los requisitos exigidos para su admisión y, resaltaban su grado de madurez matemática. En 1927, publicó un trabajo en el que presentaba una solución a las ecuaciones de la Relatividad general y que explicaba el Universo en su Conjunto.

Cuando escribió el trabajo no tenía noticias de trabajos previos de Friedmann, pues estaban escritos en ruso o alemán, y ninguno de los modelos ni soluciones que conocía hasta entonces le convencían: el de Einstein contenía materia, pero era estático; el de De Sitter ajustando la constante cosmológica: un universo de simetría esférica era dinámico pero carecía de materia. Al considerar que la densidad de materia podía variar en el tiempo, Lamaítre propuso una solución intermedia entre la de Einstein y la de De Sitter ajustando la constante cosmológica: un universo de simetría esférica, eterno y en evolución. Con ese modelo no sólo buscaba una solución matemática correcta, sino que fuera compatible con la Física, al dar explicación a las observaciones astronómicas.

          Edwin Hubble

Años más tarde, Hubble hizo la misma propuesta que hoy conocemos como  Constante de Hubble. Así que, el trabajo de Lamaítre pasó muy desapercibido y ello, le obligó a darlo a conocer para que, al menos, se le diera el mérito a que era acreedor por justicia. Lamaítre consideró que el universo estaba en expansión exponencial con un pasado infinito, donde su tamaño, era casi constante en un primer momento, para luego crecer rápidamente.

La foto fue realizada en octubre de 1927 durante la celebración del quinto congreso Solvay. El tema principal fue “Electrones y Fotones” y entre todos ellos discutieron sobre física cuántica, una nueva rama de la que ellos serían los principales creadores. Fue una generación de oro de la ciencia, posiblemente como no ha habido otra en en la historia. Para que os hagáis una idea diecisiete de los veintinueve asistentes eran o llegaron a ser ganadores de Premio Nobel.

Los personajes:

1. Peter Debye
2. Irving Langmuir
3. Martin Knudsen
4. Auguste Piccard
5. Max Planck
6. William Lawrence Bragg
7. Émile Henriot
8. Paul Ehrenfest
9. Marie Curie
10. Hendrik Anthony Kramers
11. Edouard Herzen
12. Hendrik Antoon Lorentz
13. Théophile de Donder
14. Paul Adrien Maurice Dirac
15. Albert Einstein
16. Erwin Schrödinger
17. Arthur Holly Compton
18. Jules-Émile Verschaffelt
19. Paul Langevin
20. Louis-Victor de Broglie
21. Charles-Eugène Guye
22. Wolfgang Pauli
23. Werner Heisenberg
24. Max Born
25. Charles Thomson Rees Wilson
26. Ralph Howard Fowler
27. Léon Brillouin
28. Niels Bohr
29. Owen Willans Richardson

La celebración del V Congreso Solvay de Física, que tuvo lugar en Octubre de 1927 en Bruselas, le facilitó a Lemaítre la oportunidad de reivindicarse. Acudió y al término de una de ellas, se entrevistó con Einstein, que le comentó: “He leído su artículo. Sus cálculos son correctos, pero su física es abominable”. A pesar de todo, Lemaítre no se desanimó y esperó otra oportunidad. Esta se presentó en Enero de 1930, con motivo de la Reunión habitual de la Royal Astronomical Society. En ella, De  Sitter mostró sus dudas sobre el modelo estático de Einstein, opinión que era compartida por Eddintong. Cuando Lemaítre leyó las Actas de la reunión, volvió a escribir a Eddintong, su antiguo profesor para recordarle que hacía tiempo que había propuesto una solución a ese problema. Su Profesor cayó en la cuenta del “olvido” y rectificó dando una conferencia titulada “La inestabilidad del universo esférico de Einstein”, en la que aplicó la solución de Lemaítre.

Allí quedó reconocido el mérito debido al primero que expuso un universo en expansión que, por motivos misteriosos de la historia, se llevó Hubble. De la misma manera, Copérnico se adjudicó lo que propuso, muchos años antes, Aristarco de Samos.

¡Qué cosas!

emilio silvera

[?]

¿Cuántas veces habremos hablado aquí de las constantes de la naturaleza? Han sido muchas y todas ellas, han estado influidas por el profundo interés que en mí causan estos números misteriosos que hacen del Universo el que nosotros conocemos. Es porisble, que en otros universos que pudierann ser, y, en los que las constantes fuesen diferentes a las del nuestro, hubieran nacido muertos y sin vida.

Está claro que este interes que las constantes han despertado, no ha en mí, sino en mucho científicos del mundo, es que, existen muchas maneras en las que los valores reales de esas constantes ayudan a que sea posible que la vida esté presente en nuestro Universo. Más aún, a veces parece permitir su existencia por un pequeño margen. Su aumentáramos la constante de estructura fina y no podrá haber átomos y si hacemos mayor la fuerza de la Gravedad y las estrellas agotarían sus combustibles muy rápidamente, si reducimos la intensidad de las fuerzas nucleares no habría bioquímica y así sucesivamente.

Si cambiamos el valor de α (alfa) en una pequeña cantidad, digamos en laq segunda cifra decima, entonces los cambios se harán importantes. Las propiedades de los átomos se aleteran y procesos complicado…

… como el plegamiento de las proteínas o la replicación del ADN podrían verse afectados de manera muy adversa. Claro que, ¿quién sabe si, tales cambios, podrían tener otras posibilidades  para la complejidad química? De la que no podemos sino imaginarlas al faltarnos datos para poder emitir un juicio sensato de ello. Por otra parte, si los cambios son muy grandes, harían que los núcleos y los átomos dejaran de existir y sean mucho más nítidos como barrera para el desarrollo de la complejidad basada en las fuerzas de la Naturaleza. Hay muchos cambios concebibles para los que la vida, estaría ausente.

Pero, a pesar del cambio incesante y la dinámica del Universo visible, existen aspectos de la fábrica del Universo misteriosos en su inquebrantable constancia. Son esas misteriosas cosas invariables las que hace de nuestro Universo el que es y lo distinguen de otros mundos que pudiéramos imaginar. Cuando se conocen estas misteriosas constantes, podemos percibir que es como si hubiera un hilo dorado que teje una continuidad a través del espacio-tiempo que, inexorable, transcurre en la Naturaleza. Y, tales constancias, nos llevan a pensar que todas las cosas son iguales a lo largo del vasto Universo. Que fueron y serán las mismas en otros tiempos además de hoy.

Con razón nos decía Planck:

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

La Constante de la Estructura Fina

Poco después , en 1967, Bahcall y Schmidt observaron un par de líneas de emisión de oxígeno que aparecen en el espectro de cinco galaxias que emiten radioondas, localizadas con un desplazamiento hacia el rojo promedio de 0,2 (emitiendo así su luz hace unos dos mil millones de años: Aproximadamente la época en que el reactor de Oklo estaba activo en la Tierra y obtuvieron un resultado consistente con ausencia de cambio en la constante de estructura fina que era aún diez veces más fuerte:

α (z = 0,2)/α(z = 0) = 1,001 ± 0,002

Estas observaciones excluían rápidamente la propuesto por Gamow de que la constante de estructura fina estaba aumentando linealmente con la edad del universo. Si hubiese sido así, la razón α(z = 0,2)/α(z = 0) debería haberse encontrado con un valor próximo a 0,8.

Una de las cuestiones más controvertidas en la cosmología es porque las constantes fundamentales de la naturaleza parecen finamente ajustadas para la vida. Una de estas constantes fundamentales es la constante de estructura fina o alfa, que es la constante de acoplamiento de la fuerza electromagnética (usualmente denotada g, es un número que determina la fuerza de una interacción) y equivale a 1/137,03599911.

La ilustración muestra cómo los rayos X de un cuasar distante, son filtrados al pasar por una nube de gas intergaláctico. Midiendo la cantidad de la disminución de la luz debido al oxígeno y otros elementos presentes en la nube los astrónomos pudieron estimar la temperatura, densidad y la masa de la nube de gas  (el cuasar PKS 2155-304).

Es cierto que en el Universo existen equilibrios muy delicados y que, nos puede producir la sensación de que, de un momento a otro, todo se irá al garete y aquello, se convertirá en un Caos sin reversión posible y, sin embargo, es una impresión engañosa, toda vez que, de la explosión supernova surgen nebulosas de las que surgen nuevas estrellas y nuevos mundos. Es la engañosa “Destrucción-Creadora”.

Actualmente, el más potente método utilizado en estos eperimentos dirige todo su potencial en la búsqueda de pequeños cambios  en la absorción por los átomos de luz procedentes de cuásares lejanos.  En lugar de considerar pares de lineas espectrales  en dobletes del mismo elemento, como el silicio,  considera la separación entre líneas causada por la absorción de la luz del cuásar por diferentes elementos químicos en nubes de gas situadas entre el cuásar y nosotros. Y, a todo esto, las cuatro fuerzas fundamentales siguen estando presentes.

Existen varias coincidencias aparentemente inusuales entre las constantes de la Naturaleza no relacionadas en un nivel superficial que parecen ser cruciales para nuestra propia existencia o la de cualquier otra forma de vida concebible. Los inusuales niveles resonantes del carbono y el oxígeno de Hoyle son ejemplos arquitípicos. Cambios pequeños en las intensidades de las diferentes fuerzas de la naturaleza y en las masas de las diferentes partículas elementales destruyen muchos de los equilibrios delicados que hacen posible la vida.

Todas las estructuras del Universo que se comportan como objetos estables, en realidad, se muestran así como consecuencia de que son, malabarismos que se producen entre dos fuerzas antagónicas equivalentes que consiguen esa “delicada” estabilidad que está centrada en la lucha entre la atracción y la repulsión. Por ejemplo, en un planeta, como la Tierra, hay un equilibrio entre la fuerza atractiva de la Gravedad y la repulsión atómica que aparece cuando los átomos se comprimen demasiado juntos y se llegan a degenerar por el Principio de exclusión de Pauli quen no permite que dos fermiones ocupen el mismo lugar. Todos esos equilibrios pueden expresarse aproximadamente en términos de los números puros de Stobe-Planck creados a partir de las constantes e, h, c, G y m_pr

α = 2πe^₂/hc = 1/137

α_G = Gm_pr ²/hc ≈ 10^-38

La identificación de constantes de la Naturaleza como α y α_G, junto con los números que desempeñam el mismo papel definitorio para las fuerzas débil y fuerte de la Naturaleza, nos anima a pensar por un momento en mundos diferentes al 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 caracterizadas por duiferentes valores de constantes adimensionales. estos cambios numéricos alteran toda la fábrica de los mundos imaginarios. Los equilibrios entre los fuerzas serán diferentes de los que se dan en el nuestro. Los átomos pueden tener propiedades diferentes. La Gravedad podría tener un papel más pequeño en esos otros mundos. La Naturaleza cuántica de la realidad podría intervenir en lugares inimaginables.

Claro que, nosotros, nos tenemos que ceñir a éste, nuestro Universo que nos muestras unas leyes y unas constantes que son como son y no de otra manera y, de esa forma, está construido nuestro universo conocido que, en alguna ocasión he pensado sino tendrá “otro universo” escondido dentro de este mismo.

Decimos que los valores de las constantes de la Naturaleza están “escogidos” de manera bastante fortuita cuando se trata de permitir que la vida evoluciones y persista pero, echemos una irada a otros ejemplos:  La estructura de los átomos y las moléculas está controlada casi por completo por dos números  de los que he hablado aquí alguna vez: la razón entre las masas del electrón y el protón, β, que es aproximadamente igual a 1/1.836, y la constante de estructura fina α, que es aproximadamente igual a 1/137.

Supomngamos que permitimos que estas dos constantes cambien su valor de forma independiente y supongamos también (para hacerlo más sencillo) que ninguna otra constante de la naturaleza cambie. ¿Qué le sucede al mundo si las leyes de la Naturaleza siguen siendo las mismas?

Si deducimos las consecuencias pronto encontramos  que, en realidad, no existe mucho espacio para maniobrar. Incrementemos β demasiado y no puede haber estructuras moleculares ordenadas porque es el pequeño valor de β el que asegura que los electrones ocupen posiciones bien definidas alrededor de un núcleo atómico y no se agiten demasiado. Si lo hicieran entonces fallarían procesos muy bien ajustados como la replicación del ADN. El número β también desempeña un papel en los procesos de generación de energía que alimentan las estrellas. Aquí se une con α para hacer los centros de las estrllas lo suficientemente calientes como para iniciar reacciones nucleares.

Podríamos seguir poniendo muchos ejemplos de los posibles cambios en las constantes de la Naturaleza y, todos ellos, nos llevarían a lugares que no nos gustaría imaginar,. ya que, en la mayoría de ellos, ni estaríamos al no ser la vida permitida por aquellas condiciones.

Somos tan ilusos que, a veces, nos cremos ser dueños hasta de las estrellas, y, lo cierto es que, estamos a merced de fuerzas y constantes que el Universo nos ofrece para hacer posible nuestra presencia aquí. Si alguna de esas Leyes cambiaran…¡pobre de nosotros! Y, deberíamos ser conscientes de ello, no creernos más que nadie pero, tampoco menos. Todos llegamos a este lugar de la misma manera y de la misma manera nos tenemos que ir y, sin embargo algunos, se empeñan en ser diferentes cuando…eso, ¡es imposible! como que, las fuerzas de la naturaleza cambien.

emilio silvera

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